Волоконно-оптические линии связи и их защита от внешних влияний
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Электросвязь
Издательство:
Инфра-Инженерия
Год издания: 2019
Кол-во страниц: 172
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-266-8
Артикул: 721967.01.99
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.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 11.03.01: Радиотехника
- 11.03.02: Инфокоммуникационные технологии и системы связи
- 11.03.03: Конструирование и технология электронных средств
- 11.03.04: Электроника и наноэлектроника
- ВО - Специалитет
- 11.05.02: Специальные радиотехнические системы
- 11.05.04: Инфокоммуникационные технологии и системы специальной связи
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
s. b. sÓ²ÓÐÓÉ
dpmplpoop-pqtjygsljg mjojj sdij
j jw ib{jtb pt dogzojw dmjojk
uÙÉÆÐÑÉÒÑÔÑÆÌÉÒÑ°½ÓÔ½«dpmsÌql»
jÐÖÓÅ-jÐÊÉÐÉÓÌÄ
nÑÔ°ÇÅ–dÑÎÑÈÅ
2019
Издание не подлежит маркировке
ФЗ
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11
№ 436-ФЗ
УДК 621.327.8(075.8)
ББК 886.3я73
С 59
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
2
pembdmgojg
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. Типы волокна
............................................................................................. 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 ² 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. Самофокусировка луча ......................................................................... 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
ddgfgojg 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 4 кГц на канал, и частотного уплотнения выяснилось, что по воздушной линии на расстояние порядка 100 км можно передать спектр частот не выше 105 Гц, 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 106 Гц) и передавать по паре проводов до 120 каналов, но при этом сигнал пришлось усиливать каждые 20 км. Однако потребность в междугородной связи в середине ХХ 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 108 Гц. 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 6
на шир рину низ зкочастот тного спе ектра мо . ы друг о фровой с от друга истеме п средняя амплиту да перед даваемого одуляции. о сигнала а измеряет передачи тся в тече ение цикл ла (обычн е 125 мкс с) и перем канале двоичной й системе е по лини ии в отвед денный д но каждые для канала а интерва ал време- - ктр цифро ового кан нала суще выше (64 4 кГц) и т устройств в но зато за ащищенно ественно ость от по омех и, сл ледовател ество пеизации, н начитель но выше. Цифровы ые систем мы на неб большое ч требует у льно, кач число кан налов быаботаны у уже для с коаксиаль ьных кабе елей. Бол лее широможности для этог чных и к тавили во олноводы ы, металли ические и и диэлек- - - - ботка и п симметрич го предост прокладка а которых х началас сь в 60-70 0-е годы ХХ века ие, разраб тран, в то в России. Стоимос сть волнов водов и и их прокла дки была а а отделены При циф в каждом дается в ни. Спек синхрони редачи зн ли разра кие возм трически в ряде ст значител электриче елей. Ра льно выш азвитие л металлич еских кабе ческих во олноводов в прекрат тилось по осле того, , 60 году Б м числе в е, чем у э иний из м асовым, П Прохоров вым и Тау унсом был ли создан ны первы е квантоераторы к когерентн ого излуч чения ² которые п позволяют ля переда ачи сигна алов опти лазеры, к иапазон э электрома агнитного т испольо излуче- - - димый сп пектр расп положен ический д в диапазо оне a1014 4 Гц (рис. 1), что о ткрывает т граниченн ные возмо ожности для пере дачи по с световода ам широ- как в 196 вые гене зовать дл ния. Вид практиче кополосн ески неог ных сигна алов и с б большой с скоростью ю. rÌÔ. 1. r rÇÖÔÓÐÓÌ ÌËÒÎË ÉÎÊ ÊÎÑÓÓ ÖÔ Ô˲×ÕÇ Î ÖÔ˲×ÕÇ Ô Î ÔÓ ÉÓÐÓ² Ò¿ ÒÇ ÓÖÎ Î áÐ˲×ÕÓ ÓÑÇÒÎ×Òß ßÙ ÛÇÖ×Ó× ÔËÕËÊÇÛÎ × По осле изоб бретения лазеров началось ь бурное развитие е оптовол локонной й , хотя сле едует сказ зать, что первые т тонкие и ельно дли - з стекла у умел дела ать в Петр рограде е ятилетии инные вои ХХ века а относите ором деся техники, локна из академик апица, пр авда, для других ц еще во вт целей. В п к П. Л. Ка последую ющих глав вах излож жены осн едения о физическ оении и п применен ии оптич ческих вол овные св локон, пр х и технол ких оснологии пеоптическ ких сигн налов, ст троительс стве и ринципах эксплуата ации во локонно- - - ких линий й и персп ективах и их развити ия. вах, стро редачи оптическ 7
b 1. ÎË -ÎÍ ÍÎÛËÖ² ²ÎË ÔÕ ÕÎÒÚÎÔ Ôß ÔËÕ ÕËÊÇÛ Î ÖÎÒ ÒÇÐÓÉ ÓÐÓ²Ò¿ ¿ s×ÕÓË ËÒÎË ÉÓ ÓÐÓ²ÒÇ embdb pÈÝÎ ÔÓ ÉÓ § 1.1. rÌÔ. 1.1. s×ÕÓ ÓËÒÎË ÉÓ ÓÐÓ²ÒÇ ÊÉ É¿ÙÖÐÓÏÒÓ ÓÓ Ö×˲ÐÇ Ç: n—°ÑßÖ ÖÖÌØÌÉÐÕ ÕÒÓÉÎÑÏÎ ÉÐÌÄ;n1Æ ÑÎÞÚÉn2 Со овременно ое волокн но имеет т двухсло сердцев ину диа- от нескол льких до десятков в микром ойную ст метров и труктуру: внешний й слой ди иаметром м и более ( (рис. 1.1) дет показа ано ниже, , для норм и в коэффиц циент пре . Как буд еломлени ия сердце лжен быть мальной ь больше передачи коэффишнего слоя вины дол . В русск кой литер ратуре для я обозная: n1 ! n2 преломлен нешнего с ния внеш слоя слож жилось на азвание « а», хотя н на самом деле по- - - ухслойног го стекла еще неск крытий, к являются я ирующей имеется оболочко ой. В ан «оболочка колько по нглоязычн ной литер которые я ратуре н наружный й метром о 125 мкм сигналов циента п чения вн верх дву настояще слой стек ей изоли кла обозн начается т термином м cladding g («кладка а»). Ко оэффицие нт прелом волокне может м меняться с скачком п при пере- аницы ме ежду обол и сердцев виной, и такое вол азывается я атым. Ес мления в лочкой и фициент преломл ления в се ердцевин олокно на не не оста ается пом, а изме сли коэф няется пл лавно, нап пример, п по парабо оле, то так кое волок кно назы- - ходе гра ступенча стоянным вается гр радиентн ным (рис. 1.2). 8
rÌÔ. 1.2. qÕÓ-ÎÐ à ÔÓ²ÇÍÇ× ×ËÐÆ ÔÕËÐ ÐÓÑÐËÒÎÆ Æ Ко оэффицие нт прелом мления оп пределяет тся из фор рмулы n n = (İȝ)1/2 2, где İ и и ȝ ² отн носительн ные диэле нитная про оницаемо ости матер риала вол локна. Так к как для ктрическ стекла ȝ = ая и магн = 1, то n = = İ1/2. bÔËÕ× ¿ÕÇ ÉÓ ÓÐÓ²ÒÇ я в волокн а под неко глом, вну утри воло окна ис § 1.2. Св пытывае вет, входя ет отражен ние и пре но с торца еломление е (рис. 1.3 оторым у 3). rÌÔ. 1.3. dÙÓ ÓÊ ÖÉË×Ç É É ÉÓÐÓ²ÒÓ Ó ÔÓÊ ÕÇÍ ÍÒßÑÎ ¿Ð ÐÇÑÎ Рас ссмотрим м, наприм мер, ход луча 1. Под угл ом ij к в вертикали и луч подх ходит к г границе м между се ой и обол и внутри где часть ь еломляет переходи ердцевино ит в обол лочкой, г асть отра ажается и и волокна света пр остается в сердце тся под уг евине. Есл глом ȥ и ли мы ум еньшим у угол ș ме очку, а ча жду лучо ом и осью ю волокна а 9
то угол ȥ ȥ возрасте ет, и прел ый луч бу удет распр ространят ться бливерхности ины. Еще ломленны е больше угол ȥ б будет в сл и прелом- - луч в обо и сердцев лочке буд дет распр ться почти и паралле лучае 3, и ельно пов ерхности и ины. При дальнейш шем умен угла вход да ș до ș = тупит мо- = șкр наст огда угол преломл ления ȥ б ространят ньшении у будет рав вен 90, и и преломл ленный л луч будет т траняться я вдоль по оверхност ти сердце евины и н не будет з аходить в в оболоч- ого моме ента при лучи вооб бще не б оболочку ș < șкр л т распрос странятьс ся только о по серд дцевине. удут вых Наступае ходить в о ет режим полного у о него отра ажения. Э Этот угол ывается ап пертурны ым углом или про- (луч 2), т же к пов ленный л сердцеви мент, ко распрост ку. С это и начнут внутренн сто аперт турой вол локна. Оп пределим șкр назы величину у этого уг гла. Из закона С Снелля сле едует: sin ș / sin (90 ș = sin (9 0 - ij) = n1 0 - ij) (n1 1 / n0) = co os ij  (n1 / n0); sin ij / si = sin ȥ  1 / n0 ; sin in ȥ = n2 / / n1 ; sin ij (n2 / n1) . ли имеем м полное в внутренне ее отраже ение, то ȥ ȥ = 90 и s sin ȥ = 1, Есл тогда sin ij = a cos ij = ( = n2 / n1 , a (n1 2 - n2 2 ) 1/2 / n1 , откуда si /2 . in ș кр = (n n1 / n0 )  (n n1 2 - n2 2 )1 1/2 / n1 = (n n1 2 - n2 2 )1/2 к как этот т угол мал ленький, то 2 )1/2 = NA A (Numbe er Aperture e ² числ ловая апер ртура). § sin șкр = (n1 2 - n2 2 Так șкр Есл ли луч вв водится по од углом, , меньшим олокна су ществует т м șкр, то в полного в нутренне его отраж жения, и л луч полно внутри во остью рас спростран няется по о ине волок кна, ниче его наруж жу не вы ыходит, пр ри этом апертура а волокна а режим п сердцеви равна N NA = (n1 2 - - n2 2 )1/2 . qÓÒÆ× ×ÎË Ó Ê ÊÎÖÔËÕÖ ÖÎÎ § 1.3. Пр странени и по воло окну сигн нал испыт тывает зат тухание и и растяжение (р ри распро рис. 1.4). rÌ ÌÔ. 1.4. i iÇ׿ÙÇÒÎË Ë Î ÕÇÖ×Æ ÎÒÇÐÇ ÔÕ ÕÎ ÕÇÖÔÕÓ ÓÖ×ÕÇÒËÒÎ ÎÎ ÆÌËÒÎË ÖÎ ÔÓ ÉÓÐÓ²Ò Ô Ò¿ 10