Поведение Волоконно-оптических линий связи и местность с повышенной влажностью и высокой температурой

Санкт-Петербургский  государственный политехнический  университет

Радиофизический факультет

Кафедра квантовой  электроники

 

 

 

 

 

ОТЧЕТ

По учебно-вычислительной практике

 «Поведение Волоконно-оптических линий связи и местность с повышенной влажностью и высокой температурой»

 

 

 

Направление 210400.62 - Телекоммуникации

 

 

Выполнил:                                                                                

Студент гр.

Руководитель:                                                                          

 

 

Санкт- Петербург

2012

 

                                                        Содержание

1. Введение.                                                                                                      3

2. Основные понятия.  Сравнение ВОК с коаксиальными кабелями.            3

3. Структура системы связи.                                                                           5

4. Классификация кабелей по типу среды установки.                                    7

5. Конструктивные элементы ВОК.                                                               10

6. Итог.                                                                                                             12

7. Список использованной литературы.                                                        12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение.

Одним из основных направлений современного научно-технического прогресса является всестороннее развитие волоконно-оптических систем связи, обеспечивающих возможность доставки на значительные расстояния большого объема информации с наивысшей скоростью. Уже сейчас имеются волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) с длиной регенерационных участков до 200 км и более. Однако, область применения волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) не ограничивается передачей данных на большие расстояния для непосредственной связи, а имеет более широкий спектр, от бортовых до локальных (LAN) и глобальных (WAN) волоконно-оптических телекоммуникационных сетей.

Использование волоконных световодов вместо металлических  проводников позволяет перейти в технике связи на оптические частоты, на несколько порядков превышающие частоты СВЧ диапазона, а увеличение частоты несущей расширяет диапазон пропускаемых системой связи временных частот. В ВОЛС при частоте оптической несущей, например 1013—1014 Гц, ширина полосы пропускания потенциально (теоретически) может быть в 104—106 раз большей, чем в системах радиосвязи, использующих электромагнитные волны с частотами 106—109 Гц.

 

2. Основные  понятия волоконной оптики.

С фундаментальной  точки зрения между световыми и другими электромагнитными волнами как, например, радиоволнами, не существует отличий, за исключением того, что световые волны имеют значительно более высокую частоту. Спектр электромагнитных волн простирается от нескольких тысяч километров до космических лучей с длинами волн в триллионную часть метра. В этом спектре нет пробелов, однако, существуют наложения или слияния некоторых областей, что означает отсутствие четких границ между смежными областями. Поэтому использование того или иного спектра для передачи информации в первую очередь определяется параметрами среды распространения электромагнитных волн, в частности, показателем затухания, стабильностью постоянных распространений и др. Диапазоны частот, для которых обеспечиваются наилучшие условия распространения электромагнитных волн, носят название окон прозрачности среды.

 

Сравнение ВОК  с коаксиальными кабелями.

Полоса пропускания: Лучшим образом иллюстрирует сравнение полос пропускания ВОК и коаксиального кабеля тот факт, что при оптоволоконной связи на скорости примерно 1 Гбит/с можно одновременно передать свыше 30 000 сжатых телефонных разговоров по единственному стеклянному кабелю.

Помехи: На оптоволоконные кабели совершенно не воздействует электромагнитные помехи, молнии и скачки высокого напряжения. Так же не воздействует на них электромагнитные импульсы от ядерных взрывов и фоновой радиации. В зависимости от типов коаксиальных кабелей и степеней их экранирования, они в разной степени подвержены электромагнитным и радиопомехам через индуктивные, емкостные и резисторные связи. При чем обычные кабели сами по себе вызывают электромагнитные волны.

Электроизоляция: Оптоволокно обеспечивает полную гальваническую электроизоляцию, в отличие от  традиционных кабелей.

Расстояния передачи: В простых оптоволоконных системах расстояние между повторителями до 5 км, для высококачественных до 300 км (есть разработки систем работающих до 400 км без повторителей). Для витой пары на 4 Мбит/с расстояние 2,4 км, для коаксиальных кабелей на скорости менее 1 Мбит/с до 25 км.

Множественные ветвления, сращивание: Очень трудно и дорого реализовать ветвления передающий оптической системы и осуществить сращивание, в то время как кабельные системы со многими ветвления – обычное явление и их сращивание довольно просто и относительно дешево.

Общее: оптоволокно на данный момент считается самым легким и довольно малым по диаметру системой связи, при этом к ним почти невозможно подключиться и «подслушать» данные. Обычные кабели не считаются хорошо защищенной системой. Однако ВОК является очень хрупкой системой.

Так же существенным минусом  ВОК является высокая стоимость  оконечного оборудования.

 

3. Структура ВОЛС.

1.

Оптическое волокно состоит  из стеклянной трубки, составленной из нескольких слоёв стекла, причем каждый слой имеет свой показатель преломления  - у сердечника самый большой показатель преломления, у крайнего слоя (покрытия или обшивки) – самый маленький, что позволяет обеспечить полное внутреннее отражение. Важным в данном случае фактором является величина апертуры (диаметр) волокна, так как от неё зависит критическое значение угла, под которым луч должен входить в волновод, количество лучей, которые могут входить в волновод (количество мод: одномодовые  и многомодовые ВОК), а так же дисперсия и полоса пропускания. Волокно с меньшей апертурой имеет большую полосу пропускания и большую дисперсию.

90 % всех сердечников производят  из многокомпонентных стекол, в основном силикатные и германатные. Но существуют и другие материалы для их изготовления, например: моно- и поликристаллические материалы, так, же кварцевые, полимерные, жидкостные материалы, реже газообразные среды. В первую очередь выбор зависит от длин волн, которые пропускает тот или иной материал, а так же со свойством светоослабления и примесями этих веществ.

Количество слоёв стекла, форма сердечника (плоские волноводы  и цилиндрические), а так же их показатели преломления (то есть химический состав стекла, из которого их производят) определяют различные типы волоконно-оптических кабелей.

2. 

Многие кабели конструируются вокруг центрального компонента. Обычно он изготавливается из стекловолокна, с возможным включением стали. Центральный компонент придает кабелю жесткость, препятствуя резким изгибам волокон до степени микроизгибов, вносит вклад в повышение предела прочности кабеля и является основой, на которой строится кабель и обеспечивается поддержка волокон. Однако небольшие кабели для помещений обычно не используют центральные компоненты.

3.

ВК должен включать в себя сравнительно неэластичный компонент  усиления, проходящий по длине кабеля, чтобы противостоять растягивающим  силам и предотвратить чрезмерное растяжение волокон. Он может быть металлическим  и неметаллическим, в зависимости  от использования кабеля.

4.

Помимо первичной  защиты волокна, покрытие которого наносится  при производстве, для дальнейшей защиты на волокно наносится вторичное  или буферное покрытие. Это либо свободная буферная конструкция, обычно для внешнего использования, либо плотный буфер для использования и помещениях.

5.

Для предотвращения проникновения воды в кабели необходим  соответствующий водоотталкивающий  барьер. Для обычных кабелей водоотталкивающий  барьер включает в себя проложенную  вдоль оси полиэтиленовую пленку, покрытую слоем алюминиевой фольги, располагающейся на внутренней поверхности полиуретанового или полиэтиленового пластикового кожуха, который проницаем для воды. Изготавливаются в основном из петролатума или силиконовой резины. Так же могут служить защитой от вибраций и коррозии металлических компонентов кабеля.

6.

Кабель покрывают  тяжелым пластиковым кожухом, обеспечивая  основную защиту от истирания, сопротивления  порезам, сопротивления вдавливанию  и дополнительное сопротивление  избыточному скручиванию. Маломощные легкие кабели в основной покрываются поливинилхлоридом или полиуретаном. В кожух обычно помещают вытяжной трос чтобы облегчить удаление кожуха, не подвергая риску повредить волокна при разрезании материала кожуха.

7.

 Кабели, закапываемые  непосредственно в землю, необходимо бронировать, если они закапываются в местах, где возможно их физическое повреждение. Обычно используется бронирование с помощью стальных проводов, когда они обматываются вокруг внутреннего пластикового кожуха, а затем покрываются еще одним пластиковым кожухом для защиты от коррозии.

 

 

 

4. Классы ВОК

1. Воздушный  кабель. Подвержены стихиям больше  любых других применений. В данном случае наиболее внимательно стоит отнестись к нагрузкам ветра и льда (продольный профиль кабеля), водоотталкиющий барьер (заполнение гелем кабелей со свободным буфером), перепады температуры.

 

 

2.  Подземный  кабель. Обычно помещают в кабельные трубки, испытывают меньшее воздействие окружающей среды, чем воздушные.

 
3.  Подводные кабели.

 

В основе конструкции внешнего кабеля лежит использование герметически закупоривающего элемента и заваренного металлического слоя, окружающего ядро волокон.

4. Кабели для  помещений. Обязательно должны  обладать свойствами, предписанными  правилами противопожарной безопасности.

- соединительные  шнуры;

- разделительные (отводящие) кабели;

-  восходящие  кабели;

- наполненные  кабели.

 

 

5. Конструктивные особенности ВОК.

 

Конструирование различных типов ВОК зависит от условий среды, в которой он будет использоваться, то есть важно учитывать следующие свойства:

- механическая  защита ВОК;

- упрощение  монтажа и демонтажа ВОК;

- защита от  рисков внешней среды;

- гальваническая  изоляция специальных сред.

Конструкция кабеля должна предохранять его от растягивающих  нагрузок, резания, изгибания, давления, неблагоприятных условий окружающей среды, воздействий химикатов, влажности, изменения температуры среды и прочих. С ВОК значительно проще работать, если они упакованы в конструкцию кабеля, так как покрытые пластиком отдельные волокна имеют довольно маленький диаметр (250 – 900 мкм). В некоторых случаях необходимо чтобы кабель не содержал никаких металлических элементов, из-за опасности искрообразования. Таким образом, мы можем обеспечить полную гальваническую изоляцию, то есть защитить кабель от молнии.

Влажность и  диффузия водорода.

В качестве водоотталкивающего средства часто используют различные  виды геля. Длительное воздействие  водяных паров может привезти к проникновению в волокна  находящихся в воде гидроксильных  ионов, вызывая потерю прочности и увеличение затухания. В холодных условиях водяные пары могут замерзнуть, вызвав напряжения волокон из-за расширения.

Было обнаружено, что когда волокна длительное время находятся в атмосфере с высоким содержанием водорода, молекулы водорода могут диффундировать в волокна и вызвать увеличение затухания на более длинных волнах. Волокна, содержащие примеси фосфора, наиболее чувствительны к этой проблеме. Когда концентрация водорода в воздухе очень мала, он может образовываться внутри некоторых кабелей в результате разложения пластиковых материалов. Подобным же образом в подводных кабелях может происходить электролиз влаги электрическими токами, используемыми для питания регенераторов.

Естественно, что  перед монтировкой ВОЛС тип прокладываемого кабеля проверяют в специально-разработанном испытательном оборудовании. Наиболее характерными и показательными испытаниями, прогнозирующими поведение ВОК в реальных условиях, являются климатические и механические испытания. При климатических ВОК помещают в соответствующую камеру, где устанавливают заданное значение внешнего воздействия. ВОК с обычными полимерными оболочками выдерживают температуру 70-85 ⁰С без изменения затухания, а при использовании специальных высокотемпературных покрытий до 250 ⁰С. Так же хорошо ВОК выдерживают и длительное воздействие 100% влажности воздуха при повышенной температуре 35-40⁰С. Хуже дело обстоит с отрицательными температурами.

При температурах -40 - -60 ⁰С затухание ВОК увеличивается, причем не столько из-за конструкции кабеля, сколько из-за роста затухания в самом волокне. Сжатие полиамидной защитной оболочки приводит к деформации световода и появлению микроизгибов. При повышении температуры до нормальной затухание возвращается, как правило, к исходному уровню.

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Итог.

Итак, изучая данную тему можно убедиться в том, что  оптоволоконные системы связи имеют  массу преимуществ по сравнению  с привычными системами связи. Они  менее подвержены помехам, не проводят электричество, обеспечивая электроизоляцию, поддерживают чрезвычайно высокие скорости передачи и передают данные на большие расстояния. Конечно, остается ещё множество нерешенных вопросов в разработках ВОЛС, таких как совершенствование конструкции и технологии изготовления волокон, используемых в условиях отрицательных температур.  Что же касается остальных климатических и механических испытаний, ВОК выдерживает уверенно без нарушения целостности внешних защитных оболочек и изменения оптических параметров.  Более того, еще одним важным преимуществом ВОЛС является практически неограниченный объем передаваемой информации.