Волоконно-оптическая техника

В.Н.ЦУКАНОВ,М.Я.ЯКОВЛЕВ

ВОЛОКОННООПТИЧЕСКАЯ
ТЕХНИКА

Пратичесоероводство

Инфра-Инженерия
Мосва
2014

БИБЛИОТЕКАНЕФТЕГАЗОДОБЫТЧИКАИЕГОПОДРЯДЧИКОВ(SERVICE)

УДК621.39
ББК32.88
Ц85

ЦановВ.Н.,ЯовлевМ.Я.
Ц85
Волоонно-оптичесаятехниа.Пратичесоероводство.–М.:
Инфра-Инженерия,2014.–304с.

ISBN978-5-9729-0078-7

Рассмотренаотечественнаяволоонно-оптичесаяомпонентнаябаза,
предназначеннаядляжестихсловийэсплатации.Приведеныосновные
техничесиехаратеристии,атажеметодыихизмерения,оптичесихволоон,волоонно-оптичесихабелей,оптичесихсоединителей,объединителей,разветвителей,перелючателей,пассивныхиативныхволоонно-оптичесихлинийзадержи,дисретныхпередающихиприемныхоптоэлетронныхмодлей,оптичесихтрансиверовиретрансляторов.
Предложеныметодыонтроляпараметровбезотазностиволоонно-оптичесихомпонентовсчетомихпринципиальныхотличийотэлетронных
омпонентов.
Книасодержитпратичесиереомендациипопостроениютрадиционныхиориинальныхцифровыхволоонно-оптичесихсистемпередачи(ВОСП),
оптичесихонцентраторов,оммтаторов,медиаонверторов,автономных
источниовпитаниязловподводныхВОСП,волоонно-оптичесихсистем
распределенияСВЧсиналов,волоонно-оптичесихфазовращателей,ативныхволоонно-оптичесихлинийзадержи,оптоэлетронныхенераторовСВЧ
диапазона,оптоэлетронныхАЦПиЦАП.
Книарассчитананашироийрчитателей:стдентов,инженерно-техничесихработниов,ченых,интересющихсяданнойтематиойипрофессиональносвязанныхсразработойилиэсплатациейволоонно-оптичесойтехнии.

©ЦановВ.Н.,ЯовлевМ.Я.,2014
©Издательство«Инфра-Инженерия»,2014

ISBN978-5-9729-0078-7

Введение 

В апреле 1977 года состоялась первая всесоюзная конференция «Волоконнооптические линии связи». Участниками конференции был ограниченный перечень предприятий, родоначальников развития волоконно-оптической техники в России: 
- организатор конференции, Государственный Оптический Институт им. Г.И. Вавилова, (основные докладчики – Д.К. Саттаров, Г.Я. Конаева, К.М. Фрейверт); 
- Физический Институт им. П.Н. Лебедева АН СССР, в настоящее время институт 
общей физики им. А.М. Прохорова РАН, (основные докладчики – А.С. Беланов, Е.М. Дианов, А.М. Прохоров); 
- Центральный Научно-Исследовательский Институт Связи (основные докладчики – 
И.И. Теумин, А.Г. Мурадян, И.С. Гольдфарб, О.К. Скляров); 
- Центральный Научно-Исследовательский Технологический Институт, (основные 
докладчики – В.Д. Каплун, В.Н. Цуканов, М.Я. Яковлев, в настоящее время специалисты 
ЗАО «Центральный Научно-Исследовательский Технологический Институт «ТехномашВОС»). 
Первые оптические волокна для передачи информационных сигналов строились в то 
время из поликомпонентных стекол. 
Самые чистые оптические стекла того времени могли обеспечить затухание в оптическом волокне на уровне нескольких тысяч децибел на километр. 
Но уже в это время были отмечены большие перспективы волоконной оптики для 
средств связи. 
Попытки производителей оптических волокон очистить стекло в процессе варки различными известными методами позволили уменьшить потери до нескольких сот децибел на 
километр, казалось, это был предел возможного. 
Но вот специалисты американской фирмы «Corning Glass» получили волокно с потерями 20 дБ/км и даже несколько меньше. Используя идеи получения сверхчистых материалов, 
применяемые в полупроводниковой технологии, они разработали метод получения сверхчистого кварцевого стекла из газа - газовой фазы (метод парофазного осаждения стекла). 
В дальнейшем и за рубежом и в нашей стране в научно-исследовательских институтах 
промышленности и Академии наук, используя передовые технологии, начали производить 
оптические кварцевые волокна с низкими потерями, менее 1 дБ/км. 
Основной областью применения оптических волокон явились волоконно-оптические 
телекоммуникационные системы. 
В настоящее время волоконно-оптические компоненты находят и другие сферы применения в качестве измерительных преобразователей датчиков, элементов радиофотоники, 
линий задержек различного назначения и др. 
Книга обобщает опыт и знания, накопленные авторами при выполнении более 50 
опытно-конструкторских и научно-исследовательских работ направленных на: 
- разработку специального технологического контрольно-измерительного оборудования; 
- стандартизацию волоконной техники; 
- разработку перспективной волоконно-оптической компонентной базы для жестких 
условий эксплуатации; 
- разработку измерительных преобразователей волоконно-оптических датчиков; 
- разработку цифровых волоконно-оптических систем передачи информации на большие расстояния; 
- разработку цифровых локальных волоконно-оптических систем для объектов специальной техники; 
- разработку аналоговых систем передачи широкополосных СВЧ сигналов; 
- разработку активных волоконно-оптических линий задержки различного назначения; 

- исследования показателей надежности волоконно-оптических компонентов; 
- разработку оптических волокон со специальными свойствами; 
- исследования новых методов высокоскоростной передачи информации; 
- разработку элементов радиофотоники, таких как волоконно-оптические СВЧ фазовращатели, системы распределения СВЧ  сигналов по полотну фазированных антенных решеток и др.  
Книга состоит из 4 глав. 
Первая глава посвящена рассмотрению современной волоконно-оптической компонентной базы, включающей: 
- оптические волокна и кабели; 
- пассивные и активные компоненты волоконно-оптических систем передачи (ВОСП), 
в том числе: оптические соединители, оптические разветвители и объединители, пассивные и 
активные волоконно-оптические линии задержки, оптические коммутаторы и переключатели, передающие и приемные оптоэлектронные модули, оптические трансиверы, оптические 
ретрансляторы и модуляторы. 
Особое внимание уделено компонентам отечественного производства для жестких условий эксплуатации. 
В главе рассмотрены вопросы надежности компонентов с учетом их принципиальных 
отличий от электронной компонентной базы. Рассмотрены новые подходы к определению 
показателей надежности и проверке их соответствия предъявляемым требованиям, опирающиеся на нормативные документы (ОСТ-ы и ГОСТ-ы) по надежности компонентов ВОСП, в 
разработке которых принимали участие авторы публикации. 
Большое внимание в главе обращено на терминологию, опирающуюся на государственные стандарты, разработанные авторами и определяющими термины и определения, основные технические характеристики, параметры и размеры и методы испытаний компонентов ВОСП. 
Во второй главе приведен опыт, накопленный авторами, по проектированию аналоговых и цифровых ВОСП различного назначения. В главе рассмотрены перспективные технические решения по построению таких узлов ВОСП, как концентраторы волоконнооптических сетей Fast Ethernet, коммутаторы волоконно-оптических сетей Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, медиаконвертеров и др. Рассмотрены особенности проектирования магистральных и подводных ВОСП, а также вопросы тестирования узлов ВОСП. Оканчивается глава рассмотрением нетрадиционных методов построения ВОСП. Рассмотрены новые методы 
передачи цифровых данных в ВОСП: символьный, с комбинированным спектральным и 
временным уплотнением передаваемой информации и кластерный метод. 
Особый интерес представляет собой кластерный метод, основанный на уплотнении 
передаваемой информации подобно архивированию файлов в компьютерной технике. Метод 
удостоен дипломом «Innovations for investments to the future» и золотой медалью в рамках интернациональной программы «Golden Galaxy». 
В третьей главе приводится опыт проектирования измерительных преобразователей 
волоконно-оптических датчиков. Рассматриваются распределенные волоконно-оптические 
преобразователи для измерения распределения температуры и деформаций протяженных 
объектов.  
Четвертая глава посвящена проектированию изделий радиофотоники: 
- узлов активных фазированных антенных решеток: волоконно-оптических линий передачи и распределения СВЧ сигналов, а также волоконно-оптических фазовращателей; 
- активных волоконно-оптических линий задержки; 
- оптоэлектронных генераторов СВЧ диапазона; 
- оптоэлектронных АЦП и ЦАП. 
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. 

Глава 1 

Волоконно-оптическая компонентная база 

1.1 Общие сведения 

По определению [1.1] компонентом системы называется изделие, являющееся частью 
этой системы как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. 
Волоконно-оптическими компонентами будем называть компоненты, построенные с 
использованием оптических волокон, используемых для передачи оптических сигналов. 
В книге будут рассмотрены особенности, основные технические характеристики и методы их измерения компонентов, предназначенных для построения изделий волоконнооптической техники, такие как: 
- оптические волокна; 
- оптические кабели; 
- пассивные компоненты волоконно-оптических систем передачи: 
- оптические соединители; 
- оптические разветвители; 
- оптические объединители; 
- оптические переключатели и коммутаторы; 
- волоконно-оптические линии задержки; 
- активные компоненты волоконно-оптических систем передачи: 
- передающие и приемные оптоэлектронные модули; 
- оптические усилители; 
- оптические модуляторы; 
- оптические волновые конвертеры; 
- активные волоконно-оптические линии задержки. 
Особое внимание в книге уделяется компонентам отечественного производства для 
жестких условий эксплуатации. 

1.2 Оптические волокна 

1.2.1 Общие сведения 

Оптические волокна, предназначенные для передачи оптических сигналов,  можно 
разбить на две большие группы: многомодовые и одномодовые. 
Название групп условно и отражает режим работы волокна: 
- одномодовый режим характеризуется одним типом канализируемой в оптическом 
волокне типом электромагнитной волны; 
- в многомодовом режиме в оптическом волокне могут возбуждаться много типов колебаний. 
Режим работы волокна зависит от соотношения рабочих длин волн оптического излучения для данного волокна и его геометрических размеров. 
Под рабочим диапазоном длин волн оптического излучения будем понимать спектральный диапазон длин волн оптического излучения, для которого нормированы его параметры. 
Параметры современных оптических волокон нормируются, как правило, в следующих диапазонах длин волн: 
0,85 ± 0,05 мкм; 
1,27 – 1,61 мкм. 
В настоящее время выпускаются оптические волокна, выполненные в виде нити, со

стоящей из сердцевины, покрытой кварцевой оболочкой и защитным буферным покрытием. 
Для стандартных оптических волокон соотношения диаметров сердцевины и оболочки в 
микрометрах следующие: 100/140, 85/125, 65/125, 50/125, (7-10)/125 [1.2]. 
Диаметр внешнего защитного покрытия, как правило, – 242 ± 5 мкм. 
К многомодовым оптическим волокнам относят оптические волокна с диаметром 
сердцевины намного превышающим длину волны оптического излучения. Это волокна с соотношением диаметров сердцевины и оболочки: 100/140, 85/125, 62,5/125, 50/125. Волокна с 
соотношением – (7-10)/125 принято называть одномодовыми. 
Наличие большого числа распространяемых мод в многомодовых волокнах ограничивает их полосу пропускания. Ограничение полосы пропускания связано с разбросом времени 
распространения мод, называемым модовой дисперсией. 
Перечень основных характеристик оптических волокон приведен в таблице 1.1. 

Т а б л и ц а  1.1 — Перечень основных характеристик оптических волокон 

Наименование характеристики 
Одномодовые 
оптические волокна 
Многомодовые 
оптические волокна 

Геометрические характеристики 

Диаметр оболочки, мкм 
+ 
+ 

Диаметр сердцевины, мкм 
– 
+ 

Неконцентричность сердцевины 
и оболочки, мкм 
+ 
+ 

Диаметр поля моды, мкм 
+ 
– 

Оптические характеристики 

Погонное затухание, дБ/км 
+ 
+ 

Прирост затухания при изгибе, дБ, в зависимости от диаметра оправки в мм 
+ 
+ 

Длина волны отсечки, нм 
+ 
– 

Хроматическая дисперсия, пс/(нм·км) 
+ 
– 

Длина волны нулевой дисперсии, нм 
+ 
– 

Числовая апертура 
– 
+ 

Характеристики передачи 

Полоса пропускания, МГц·км 
– 
+ 

Поляризационная модовая дисперсия, пс/км1/2 
+ 
– 

Рассмотрим перечисленные характеристики более подробно.  

1.2.2 Геометрические характеристики 

Геометрические характеристики являются наиважнейшими при изготовлении оптических соединителей, так как определяют потери оптической мощности в месте соединения. 
Для принятых за стандартные оптических волокон фирмы Corning, обеспечиваются следующие допуски на основные геометрические размеры: 
- на диаметр оболочки для одномодовых волокон ± 0,7 мкм, для многомодовых ± 
2,0 мкм; 
- на диаметр сердцевины для многомодовых волокон ± 2,0 мкм; 
- на неконцентричность сердцевины и оболочки, для одномодовых волокон ± 0,5 
мкм, для многомодовых ± 1,5 мкм; 

- на диаметр поля моды для одномодовых волокон ± 0,4 мкм. 
Микронные и субмикронные точности измерения геометрических параметров определяют необходимость использования для их измерения и контроля интерферометрических методов. 
Как правило, измерение геометрических размеров оптического волокна производится одновременно с контролем геометрии оптических наконечников, являющихся основным узлом разъемных оптических соединителей. Методы контроля и описание измерительного оборудования приведены в [1.3]. 
Для измерений геометрических и других характеристик оптических волокон кроме 
измерительных приборов необходимо иметь инструмент и принадлежности для подготовки оптического волокна к измерениям, а также адаптеры для оптического волокна со снятым буферным покрытием. 
Для снятия буферного покрытия диаметром  242 мкм понадобится стриппер, 
имеющий прецизионно выполненное отверстие и V-образно раскрывающееся лезвие, которое позволяет сделать точный срез оболочки. 
После очистки буферного покрытия необходимо сделать скол оптического волокна 
поперек оптической оси, угол отклонения скола не должен превышать 2о. Промышленность выпускает широкую номенклатуру скалывателей, отличающихся допустимым отклонением угла скола и ресурсом. 
Как правило, перечисленные инструменты входят в комплекты инструментов для 
разделки оптических кабелей. На российском рынке присутствуют комплекты инструментов как отечественного, так и зарубежного производства. К комплектам зарубежного 
производства можно отнести наборы «НИМ-25» и «НИМ-Эксперт» (изготовитель 
«Pelican», США), ТК-01 (изготовитель «TCM Communications», Великобритания) и др. 
Из наборов российского производства можно выделить комплект инструментов и 
приспособлений для оперативного сращивания одномодового и многомодового волокна 
«КСВ-1» 
ТУ6692-001-41085936-2007 
(изготовитель 
ЗАО 
«Центральный 
НаучноИсследовательский Технологический Институт «Техномаш-ВОС», владимирское отделение). 
Комплект предназначен для оперативного ремонта волоконно-оптических кабелей 
на борту стационарных и подвижных объектов. 
Комплект относится к категории качества «ВП», имеет группу исполнения 3У и 
размещается в прочном металлическом корпусе (чемодане) с общим весом не более 6кг. В 
комплект поставки входят: 
- чемодан; 
- устройство для скола оптического волокна «Скол - ОМ»; 
- инструмент для снятия буферного покрытия «СПОВ»; 
- модуль механического соединения оптических волокон «КРОВ»; 
- принадлежности (кисти, пакеты для сбора отходов и др.). 
Для подключения обнаженного оптического волокна со сколотым торцом к измерительной аппаратуре понадобятся адаптеры. Адаптеры состоят из оптического соединителя, сопрягаемого с соединителем измерительной аппаратуры, и специализированного 
зажимного устройства, которое может удерживать волокно. На российском рынке присутствуют как отечественные адаптеры, так и адаптеры зарубежных фирм. Из отечественных можно выделить адаптеры ООО «Конструктив», ЗАО «Компонент» и др. 

1.2.3 Погонное затухание 
Погонное затухание определяет потери оптической мощности, распространяемой по 
волокну, вносимые оптическим волокном в тракт передачи. Погонное затухание линейно зависит от длины волокна и измеряется в дБ/км. Величины погонного затухания для оптических волокон фирмы Corning приведены в таблице 1.2. 
 

Таблица 1.2 — Погонное затухание оптических волокон фирмы Corning 

Погонное затухание, дБ/км на длине волны 
оптического излучения, мкм, не более 
Наименование  
оптического волокна 
0,85 
1,31 
1,49 
1,55 
1,625 

Одномодовое волокно 
SMF28e+LL 
– 
0,33 
0,21 
0,18 
0,22 

Многомодовое волокно 
50/125 
2,42 
0,65 
– 
0,57 
– 

Многомодовое волокно 
InfiniCor 62,5/125 
2,9 
0,6 
– 
– 
– 

Прирост затухания при изгибе для одномодового волокна SMF28e+LL составляет: 
- не более 0,5 дБ при намотке одного витка на оправку диаметром 20 мм; 
- не более 0,05 дБ при намотке десяти витков на оправку диаметром 30 мм; 
- не более 0,01 дБ при намотке ста витков на оправку диаметром 60 мм. 
Прирост затухания при изгибе для многомодового волокна 50/125 и InfiniCor 62,5/125 
составляет не более 0,5 дБ при намотке ста витков на оправку диаметром 75 мм. 
Погонное затухание, а также прирост затухания при изгибе, могут быть измерены при 
помощи оптического рефлектометра. Рефлектометрические методы контроля изложены в 
[1.4]. 

1.2.4 Длина волны отсечки 

Длина волны отсечки соответствует граничному значению длины волны, при которой еще обеспечивается одномодовый режим распространения сигналов. На длинах волн 
меньших длине волны отсечки число распространяющихся мод становится большим единицы. 
Различают волоконную длину волны отсечки (CF) и кабельную длину волны отсечки (CСF). Первая соответствует слабо напряженному волокну. Вторая — волокну, 
помещенному в кабель. В кабеле волокно испытывает множество изгибов, что ведёт к подавлению побочных мод и смещению CСF в сторону коротких длин волн. 
Для волокна фирмы Corning кабельная длина волны отсечки составляет 1260 нм. 
Одним из практических методов измерений длин волн отсечки является метод передаваемой мощности [1.5]. Для измерений понадобится источник с широким спектром 
оптического излучения. Излучение источника направляют в одномодовое оптическое волокно и измеряют спектр выходного излучения. Аналогичные измерения проводят для 
многомодового отрезка оптического волокна. Сравниваются спектральные характеристики. Находится отношение спектральных характеристик Ам, выраженное в дБ, по формуле 

Ам() = 10 lgPs/Pm , 

где Рs - мощность на выходе одномодового волокна; 
Рm - мощность на выходе многомодового волокна; 
 - длина волны оптического излучения. 

Многомодовое оптическое волокно в данном методе измерений является эталонным. 
Строится кривая Ам(). Вид получаемой зависимости представлен на рисунке 1.1. 

0,1 дБ

А , дБ
м

CF



1 
2 

 
Рис. 1.1. Кривая зависимости отношения спектральных характеристик от длины волны. 

Длинноволновый участок кривой Ам() экстраполируется прямой (1). Строится параллельная прямая (2), отстоящая ниже от (1) на 0,1 дБ. Точка пересечения прямой (2) с кривой 
Ам() соответствует длине волны отсечки, CF. 
Условия измерения должны соответствовать рекомендациям Ассоциации телекоммуникационной промышленности (TIA) и международного консультационного комитета по телефонии и телеграфии (CCITT). Рекомендации заключаются в следующем: 
- концы волокна очищаются от защитного покрытия; 
- оптическое волокно скалывается поперек оптической оси, угол отклонения скола не 
должен превышать 2о; 
- диаметр светового пятна от источника излучения должен быть равен 200 мкм; 
- наименьшая длина волны спектра излучения, измеренный на полумаксимуме, должна 
быть не более 1000 нм; 
- наибольшая длина волны спектра излучения, измеренный на полумаксимуме, должна 
быть не менее 1600 нм. 
При измерении длины волны отсечки волокна CF, образец оптического волокна должен 
располагаться таким образом, чтобы образовывалась одна петля диаметром 280 мм, расстояние между концами волокна должно быть не менее 2 м, см. рис. 1.2.  

280 мм

2 м

 
Рис. 1.2.  Размещение волокна при измерении CF. 

Не должно быть дополнительных изгибов волокна с радиусом, меньшим 140 мм. 
При измерении кабельной длины волны отсечки CСF тестируемый образец волокна 
должен иметь длину более 22 м. Большая часть волокна свёртывается и располагается на катушке с радиусом не меньше, чем 140 мм, что моделирует кабельные эффекты. Затем делается по одной петле диаметром 76 мм на расстоянии 1м от каждого конца волокна для моделирования эффекта изгиба волокна. В средней части делается две дополнительные петли диаметром 280 мм, см. рисунок 1.3. 

280 мм

22 м

76 мм
76 мм

1 м
1 м

 
Рис. 1.3. Размещение волокна при измерении  CСF. 

Как было отмечено выше, основной причиной ограничивающей полосу пропускания 
многомодовых оптических волокон является рассеяние времени распространения различных мод излучения или модовая дисперсия. В одномодовых оптических волокнах распространяется только одна мода и модовая дисперсия отсутствует. Основное ограничение полосы пропускания для таких волокон связано с наличием хроматической дисперсии. Это 
название передает суть явления, которое состоит в том, что разные спектральные составляющие сигнала распространяются в волокне с разными групповыми скоростями. 

1.2.5 Хроматическая дисперсия и длина волны нулевой дисперсии 

Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих. 
Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления кварцевого стекла от длины волны оптического излучения. В выражение для материальной 
дисперсии mat(L) входит дифференциальная зависимость показателя преломления от 
длины волны 

).
(
)
,
(
2
1
2







M
L
d
n
d
c
L
L
mat









 

Волноводная дисперсия w (L) обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны 

),
(
2
)
(
2
1






N
L
c
n
L
L
w












 

здесь введены коэффициенты М() и N() – удельные материальная и волновая дисперсии 
соответственно, а  (нм) – ширина спектра источника излучения.  
Результирующее значение коэффициента удельной хроматической дисперсии D() в 
пс/(нмкм) определяется как 
D()=M()+N(). 
Если коэффициент волноводной дисперсии всегда больше нуля, то коэффициент материальной дисперсии может быть как положительным, так и отрицательным. Важным является то, что при определённой длине волны (примерно 1310  10 нм) для стандартного 
оптического волокна происходит взаимная компенсация M() и N(), а результирующая 
дисперсия обращается в ноль. Длина волны, на которой это происходит, называется длиной 
волны нулевой дисперсии о. 
Таким образом, полоса пропускания оптического одномодового волокна зависит не 
только от характеристик волокна, но и от ширины спектра излучения источника оптического излучения. 
Для характеристики хроматической дисперсии с учетом характеристик источника 
излучения было введено понятие удельной хроматической дисперсии. Хроматическая дисперсия связана с удельной хроматической дисперсией соотношением