ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ..........:........................,.................... 3

Глава первая. Передача информации по оптическим кабелям ............ 4

1.1.	Развитие оптической связи ................................. 4

1.2.	Системы передачи по оптическим кабелям .................... 8

1.3.	Оптоэлектронные устройства ............................. 13

1.4.	Технико-экономическая эффективность оптических кабелей .	15

'	1.5. Перспективы развития оптических кабелей ................. 21

Глава вторая. Основы теории оптических кабелей .................... 26

2.1.	Физические процессы в волоконных световодах .............. 26

2.2.	Волны и лучи в световодах ................................ 33

2.3.	Уравнение передачи по световодам ........7............... -36

2.4.	Коэффициент	распространения по волоконному	световоду ...	40

2.5.	Типы волн в	волоконных световодах .................... 41

2.6.	Критические частоты и типы волн (моды)	световодов ........ 43

2.7.	Одномодовая	передача по световодам ................... 45

2.8.	Затухание ................................................ 48

2.9.	Дисперсия ................................................ 53

2.10.	Пропускная способность и дальность передачи по оптическим
кабелям ....................................................... 58

2.11.	Спектральное уплотнение оптических кабелей .............. 62

Глава третья. Материалы для изготовления оптических волокон
и кабелей ..................................................... 66

3.1.	Стекла для оптических волокон, работающих на длине волны
0,63—1,55 мкм ................................................. 66

3.2.	Стекла для оптических волокон, работающих в средней и даль-
ней инфракрасных областях ..................................... 70

3.3.	Материалы буферного и защитных покрытий оптических во-
локон ......................................................... 73

3.4.	Материалы для силовых элементов и оболочек кабелей ....... 77

Глава четвертая.	Конструкции оптических волокон ............ 78

4.1.	Классификация	оптических	волокон ......................... 78

4.2.	Многомодовое	оптическое	волокно ......................... 79

4.3.	Одномодовое оптическое волокно ..........................  80

4.4.	Оптические волокна с кварцевыми сердцевиной и оптической
оболочкой ..................................................... 97

4.5.	Оптические волокна с кварцевой сердцевиной и полимерной оп-
тической оболочкой ...........................................  98

4.6.	Оптические волокна с сердцевиной и оптической оболочкой из
многокомпонентного стекла ...................................   99

4.7.	Оптические волокна с сердцевиной и оптической оболочкой из
полимерного материала ......................................... ЮО

4.8.	Конструкция защитного полимерного	покрытия ............ 100
Глава пятая. Конструкции оптических кабелей .......................

5.1.	Классификация оптических кабелей .........................

5.2.	Оптические кабели для прокладки в земле, в коллекторах и
трубах ........................................................

5.3.	Оптические кабели для воздушной прокладки (кабели с несущим
тросом) .......................................................

5.4.	Полевые оптические кабели ................................

5.5.	Подводные оптические кабели ..............................

5.6.	Внутриобъектовые, специальные и монтажные оптические кабели

5.7.	Оптические шнуры, применение оптических волокон в силовых
кабелях .......................................................

Глава шестая. Основы конструирования оптических кабелей ...........

6.1.	Исходные положения .......................................

6.2.	Определение параметров ОК на основе общих требований
к ВОЛС ........................................................

6.3.	Расист механической прочности оптического кабеля и выбор
конструкции ...................................................

6.4.	Расчет уровня затухания оптического волокна, применяемого
для изготовления кабеля .......................................

Глава седьмая. Технология изготовления оптических волокон н
кабелей ...........................................................

7.1.	Общая технологическая схема изготовления оптических кабелей

7.2.	Технология и оборудование для изготовления оптических во-
локон .........................................................

Глава восьмая. Технология и технологическое оборудование для
изготовлении оптических кабелей ...................................

8.1.	Технология и технологическое оборудование для изготовления
оптических кабелей типа I и II ................................

8.2.	Технология и технологическое оборудование для изготовления
оптических кабелей типа III ...................................

8.3.	Технология и технологическое оборудование для изготовления
оптических кабелей типа IV ....................................

8.4.	Технология и технологическое оборудование для изготовления
оптических кабелей типа V .....................................

8.5.	Технология и технологическое оборудование для наложения на
оптический кабель усиленных защитных оболочек .................

Глава девятая. Влияние внешних воздействии на оптические кабели

9.1.	Общая характеристика факторов влияния на оптические кабели

9.2.	Влияние температуры ......................................

9.3.	Влияние механических усилий ..............................

9.4.	Влияние влажности ........................................

9.5.	Влияние водорода .........................................

9.6.	Влияние ионизирующего излучения ..........................

Глава десятая. Измерение параметров и характеристик оптических
кабелей ...........................................................

10.1.	Параметры и характеристики, подлежащие измерениям .......

10.2.	Измерение затухания .....................................

10.3.	Измерение характеристик передачи ........................

10.4.	Измерение оптических параметров .........................

10.5.	Измерение геометрических параметров .....................

10.6.	Измерение механических и климатических характеристик ....
Глава одиннадцатая. Монтаж оптических кабелей ................ 222

11.1.	Требования к монтажу оптических кабелей ............ 222

11.2.	Эффект смещения сопрягаемых волокон ................ 223

11.3.	Неразъемные соединения ............................. 225

11.4.	Разъемные соединения .............................   226

11.5.	Методы монтажа оптических кабелей .................. 227

11.6.	Электродуговая сварка оптических волокон ........... 230

11.7.	Сварка оптических волокон комплектом КСС-Ш ......... 233

11.8.	Особенности сращивания одномодовых волокон ......... 235

11.9.	Технология монтажа оптических кабелей .............. 238

11.10.	Монтажно-измерительные автомашины ................. 242

Глава двенадцатая. Надежность оптических волокон и кабелей 243

Приложения ................................................... 248

Список литературы ............................................ 257
ГЛАВА ПЕРВАЯ

ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ ПО ОПТИЧЕСКИМ
КАБЕЛЯМ

1.1. РАЗВИТИЕ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

Особая актуальность и большое народнохозяйственное зна-
чение развития высокоавтоматизированного производства во-
локонно-оптических кабелей связи обусловлены тем, что ресур-
сы меди и свинца в мировом балансе добычи крайне
ограниченны, а кабельная промышленность потребляет из
общих ресурсов до 50% меди и 25% свинца. Оптические
кабели (ОК) в отличие от широко применяемых электрических
кабелей с* медными проводниками не требуют дефицитных
металлов и изготовляются, как правило, из стекла и полимеров.

Достоинствами ОК по сравнению с электрическими явля-
ются: экономия меди, возможность передачи большого потока
информации, малое ослабление сигнала и независимость его
от частоты в широком диапазоне частот, высокая защищен-
ность от внешних электромагнитных помех, малые габаритные
размеры и масса (масса 1 м ОК примерно в 10 раз меньше,
чем масса электрического кабеля), высокая надежность (от-
сутствие искрения и короткого замыкания).

Можно без преувеличения сказать, что приход оптоэлектрон-
ных систем и ОК связи на смену электрическим имеет такое же
значение для науки и техники, какое в свое время имела замена
вакуумных ламп полупроводниковыми приборами.

Для передачи на расстояние различного рода информации
люди издавна использовали звуковую и световую энергию.
Для увеличения дальности передачи сообщений применялись
цепочки переприемных сигнальных постов. Так, в начале XIX
столетия действовала семафорная оптическая линия связи, но
она не обеспечивала надежной и стабильной связи.

С появлением радиосвязи, изобретенной нашим соотечест-
венником А. С. Поповым, оптические семафорные линии были
заброшены. Сегодня же мы являемся свидетелями возврата
к использованию света для целей связи. Но делается это на
совершенно новой основе с применением всех достижений
современной науки и техники—квантовой физики, оптоэлект-
роники и радиотехники.
Важнейшим фактором в развитии оптических систем и ка-
белей связи явилось появление оптического квантового гене-
ратора—лазера. Лазерные системы работают в оптическом
диапазоне волн. Если при передаче по кабелям используются
частоты около мегагерц, а по волноводам—гигагерцы, то
для лазерных систем используются видимый и инфракрасный
спектры оптического диапазона волн (сотни терагерц).

Оптические системы получили применение при оборудовании
мобильных объектов и космической связи. Известно эффек-
тивное использование ОК в вычислительных комплексах,
а также в энергосистемах для телеуправления и связи.

Первые работы по освоению оптического диапазона волн
для целей связи относятся к началу 60-х годов. В качестве
тракта передачи использовались приземные слои атмосферы
и световоды с периодической коррекцией расходимости и на-
правления луча с помощью системы линз и зеркал. Открытые
(атмосферные) линии оказались подверженными влиянию ме-
теорологических условий и не обеспечивали необходимой
надежности связи. Световоды с дискретной коррекцией ока-
зались весьма дорогостоящими, требовали тщательной юсти-
ровки линз и сложных устройств автоматического управления
лучом. Они не нашли практического применения на сетях связи.

Создание высоконадежных оптических кабельных систем связи
стало возможным в результате разработки в начале 70-х годов
оптических волокон с малым ослаблением. Лазер и оптическое
волокно послужили основой для создания оптических систем
связи высокой эффективности, обеспечивающих возможность
передачи различной информации на любые расстояния.

Технико-экономическое сравнение показало, что в перспек-
тиве при массовом производстве ОК они будут конкуренто-
способными с электрическими при потребностях в больших
пучках связи (свыше 500—1000 цифровых каналов). Ожидается,
что в мире к 1990 г. около 10% всех линий передачи
информации будут волоконно-оптическими, а к 2000 г. почти
все новые линии связи будут волоконно-оптическими.

В СССР (Москва, Нижний Новгород, Ленинград, Киев,
Ташкент, Баку, Новосибирск, Кишинев и др.) используются ОК
в качестве соединительных линий между АТС. Построены зоновые
оптические линии внутриобластной связи (например, Ленинград—
Сосновый бор, Уфа—Стерлитамак и др.). Сооружается магист-
ральная оптическая кабельная линия большой протяженности
(Ленинград—Минск) одномодовой системы связи. Длины волн
1,3 и 1,55 мкм. Системы передачи ИКМ-480 и ИКМ-1920.

Намечается строительство транссоветской волоконно-опти-
ческой линии (ТСЛ). Эта линия будет связывать Японию,
СССР, Европу. Строительство ТСЛ будет осуществляться
Советским Союзом совместно с инофирмами (США, Дания,
Рис.* 1.1. Транссоветская волоконно-оптическая линия связи

Япония, Италия, ФРГ). ТСЛ пройдет по трассе Япония —
Хабаровск — Сибирь — Урал—Москва и далее разветвится на
две линии: северная ветвь пройдет через Ленинград на Данию
(Копенгаген) и Великобританию, а южная—через Тулу, Харь-
ков, Севастополь на Италию (рис. 1.1). Общая протяженность
линии свыше 15 000 км.

Оптический кабель будет содержать 8—12 одномодовых
волокон, системы передачи ИКМ-7680 будут иметь скорость
565 Мбит/с, длину волны 1,55 мкм, регенерационные участки—
через 100 км.

На первом этапе по ТСЛ будет задействовано около 8 тыс.
каналов, на втором—16 тыс. каналов, причем во всех случаях
половина каналов будет использоваться в интересах развития
связи в СССР. По проекту для крупных городов нашей
страны, через которые пройдет магистраль, будет выделено
определенное число каналов.

ТСЛ будет включена в мировую межнациональную сеть связи,
она замкнет глобальное волоконно-оптическое кольцо, которое
будет охватывать четыре континента (Европа, Америка, Азия,
Австралия) и три океана (Атлантический, Тихий и Индийский).
Кольцо рассчитано на большое число каналов (4—8—12 тыс.
и более) с протяженными трансляционными участками (50—
100—150 км). Работа в основном на волнах длиной 1,3 и 1,55 мкм.

В США наряду с оптическими кабельными линиями город-
ской связи в 1986 г. сооружена междугородная линия, соеди-
няющая Вашингтон, Нью-Йорк, Бостон, общей протяжен-
ностью 980-KM. Закончено строительство оптической кабельной
линии - через весь континент между Нью-Йорком и Сан-
Франциско протяженностью свыше 4000 км.

j В США за 10 лет (1976—1986 гг.) изготовлен 1 млн. км
(оптического волокна, а в последнее время изготавляется по
1,6 млн. км в год. Всего в США изготовлено свыше 7 млн.
км оптического волокна.

В Японии завершено строительство оптической кабельной
(линии, проходящей через всю территорию протяженностью
,2800 км. Получили развитие оптические многофункциональные
'абонентские сети городского назначения. К абонентам подается
тонкий двухволоконный ОК, и по нему осуществляется передача
,всех видов информации (телефонирование, телеграфирование,
[телевидение, передача данных, передача полос газет, журналь-
ных статей и т. д.).

1 Развитие волоконной оптики в Японии характеризуется
следующими данными: за пять лет (1982—1987 гт.) производ-
ство волокна возросло от 22 до 430 тыс. км. Для абонентской сети
изготовляются кабели, содержащие до 500 оптических волокон.

В ФРГ созданы интегральные сети многоцелевого назначе-
ния (телефон, телевидение, видеотекст, видеотелефон, передача
данных и др.) в городах Гамбург, Ганновер, Штутгарт,
Мюнхен и др. В 1986—1987 гг. введены в эксплуатацию
междугородные оптические линии длиной 70000 км. К 1990 г.
общая длина проложенных оптических линий составит
800 000 км (в одноволоконном исчислении).

Намечается строительство Европейской магистрали на ОК
между ФРГ и другими странами Европы протяженностью порядка
1000 км (волокна одномодового типа, длина волны 1,3 мкм).

В Великобритании завершено строительство комплекса
оптических соединительных линий для связи Лондона с пригоро-
дом, проложено 13 линий общей протяженностью 480 км.
В 1984 г. проложен ОК вдоль железных дорог Лондон — Бир-
мингем длиной 190 км и Лондон — Манчестер длиной 510 км.
' В Великобритании строительство всех новых линий связи
выполняется ОК и к 1990 г. они будут составлять около
50% всех линий связи.

Достоинства ОК—большая длина регенерационных участ-
ков, малая масса, помехозащищенность—сделали их весьма
эффективными для прокладки через морские преграды.

Подводные кабельные линии, как правило, содержат одномо-
довые волокна и работают на волнах длиной 1,3 и 1,55 мкм. По
каждой паре волокон организуется 4000 цифровых каналов связи.

В 1985 г. вступила в строй оптическая кабельная магистраль
в Средиземном море между Францией и Корсикой протяжен-
ностью 400 км. Регенераторы установлены через 46 км.
Закончено строительство подводной оптической магистрали
ТАТ-8 через Атлантический океан. Длина магистрали 6000 км,
она связала США с Великобританией, Францией, а затем
и с Испанией. Магистраль рассчитана на 12000 каналов
с регенерационными участками через 50 км. Также продолжена
оптическая магистраль через Тихий океан Транспак-3 протяжен-
ностью 7200 км между Японией, США и Канадой.

Проектируется к 1993 г. построить подводную магистраль
от Австралии и Новой Зеландии через Гавайи до Северной
Америки протяженностью около 14000 км, расстояние между
регенераторами 150 км.

Оптические кабели получили также применение на высо-
ковольтных линиях электропередачи для организации каналов
технологической связи и телемеханики,
й

1.2. СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ПО ОПТИЧЕСКИМ КАБЕЛЯМ

В оптических системах передачи применяются принципиально
те же методы образования многоканальной связи, что и в обыч-
ных системах передачи по электрическим кабелям. Используются
частотный* и временной методы разделения каналов.

Во всех случаях оптической передачи электрический канал,
создаваемый частотным или временным методом, модулирует
оптическую несущую и в модулированном виде световой
сигнал передается по оптическому кабелю. В основном ис-
пользуется способ модуляции интенсивности оптической не-
сущей, при котором от амплитуды электрического сигнала
зависит мощность излучения, подаваемая в кабель.

В оптических системах передачи применяется, как правило,
цифровая (импульсная) передача. Это обусловлено тем, что
аналоговая передача требует высокой степени линейности
промежуточных усилителей, которую трудно обеспечить в оп-
тических системах.

Таким образом, наиболее распространенной волоконно-
оптической системой связи является цифровая система с времен-
ным разделением каналов с импульсно-кодовой модуляцией
(ИКМ), использующая модуляцию интенсивности излучения
источника. Дуплексная связь осуществляется по двум волокон-
ным световодам, каждый из которых предназначен для переда-
чи информации в одном направлении. В оптических системах
связи используются преимущественно цифровые системы переда-
чи— ИКМ на 30, 120, 480 и 1920 каналов.

Принципиальная структурная схема волоконно-оптической
связи с ИКМ приведена на рис. 1.2. Основу составляет ОК,
а также оптический передатчик (ОП) в начале системы
и оптический «приемник ОПр) в конце системы. Передатчик
.выполняет роль преобразователя электрического сигнала в оп-
Рис. 1.2. Структурная схема волоконно-оптической связи

тический (ЭОП), а приемник обеспечивает обратное преоб-
разование оптического сигнала в электрический (ОЭП).

В качестве ЭОП наибольшее применение получили полу-
проводниковый лазер (ПЛ) и светоизлучающий диод (СД),
а в качестве ОЭП—фотодиод (ФД).

Кроме того, для преобразования кода и согласования
элементов схемы применяются преобразователи кода (ПК),
а также согласовывающие оптические устройства (СУ).

Преобразователь кода формирует требуемую последователь-
ность импульсов и осуществляет согласование уровней по
мощности между электрическими (ИКМ) и оптическими (ПЛ,
СД и ФД) элементами схемы (от ИКМ идет высокий уровень,
а для СД необходим весьма малый уровень).

Передающие и приемные СУ формируют и согласовывают
диаграммы направленности и апертуру между приемно-пере-
дающими устройствами и кабелем.

Передаваемый сигнал ИКМ через ПК поступает в ЭОП.
Здесь сигнал ИКМ модулирует оптическую несущую, создава-
емую ПЛ или СД, и через передающие СУ поступает в ОК.

На приеме оптический сигнал через приемное СУ поступает
в фотодиод, где он преобразуется в электрический сигнал
и через ПК поступает в приемник ИКМ.

Таким образом, на передающей стороне от ИКМ до ЭОП,
а также на приемной стороне от ЭОП до ИКМ действует
электрический сигнал, а от ЭОП до ОЭП по ОК проходит
оптический сигнал.

В реальных условиях оказалось весьма целесообразным
и практичным все элементы ОП, а также ОПр изготовлять
в виде компактных устройств передающего (ПОМ) и приемного
(ПрОМ) оптических модулей. Такие модули включают в себя
ЭОП на передаче (или ОЭП на приеме), а также СУ.
Конструктивно оптические модули размером в спичечную
Рис. 1.3. Схема линейного регенератора
коробку позволяют подключить с одной стороны непосред-
ственно аппаратуру ИКМ, а с другой—ОК.

Через определенные расстояния, обусловленные затуханием
кабеля (10 и 50 км) вдоль оптической линии располагаются
линейные регенераторы (ЛР). В ЛР сигнал восстанавливается
и усиливается до требуемого значения. Структурная схема
регенератора приведена на рис. 1.3.

В ЛР, содержащем два полукомплекта отдельно для
прямого и, обратного направлений передачи, оптический сигнал
преобразуется в электрический; в таком виде он регенерируется,
усиливается и затем обратно преобразуется в оптический для
передачи по кабелю.

В табл. 1.1 приведены основные данные отечественных
волоконно-оптических систем передачи. Как правило, применя-
ется цифровая система передачи с ИКМ (ИКМ-480 и
ИКМ-1920). В качестве источника излучения используется
полупроводниковый лазер, а в качестве приемника—лавинный
фотодиод. Кабели в основном содержат 4 и 8 волокон. Для
городской связи применяется длина волны 0,85 мкм с рас-
стоянием между регенераторами 8—12 км. Зоновая связь
базируется на длине волны 1,3 мкм, генераторы устанавлива-
ются через 30 км. Для магистральной связи применяется
кабель одномодовой конструкции. В системе передачи
ИКМ-1920 при длине волны 1,55 мкм расстояние между
регенераторами составляет около 100 км.

В таблицах 1.2 и 1.3 приведены данные о зарубежных
системах передачи для междугородной связи по подземным
и подводным ОК. Подводные кабельные линии имеют свою
специфику—это большие расстояния (до 10000 км) и большие
длины регенерационных участков (около 50 км), глубина
прокладки до 7,5 км. Кабель, как правило, содержит шесть
волокон, а снаружи имеет броневой покров из стальных
проволок. При этом используется преимущественно длина
волны 1,3 мкм. По каждой паре волокон организуется 4000
каналов при скоростях передачи 280 мбит/с. Всего по кабелю
обеспечивается 12000 каналов.
Таблица 1.1. Волоконно-оптические системы передачи

Параметр	Городская связь		Внутризоновая связь		Магистральная связь		
	Соната-2	ИКМ-120- 4/5	Сопка-2	Сопка-3	Сопка-4	Сопка-4М	Сопка-5
Система передачи  Скорость передачи, Мбит/с  Длина волны, мкм  Коэффи- циент зату- хания, дБ/км  Энергети- ческий по- тенциал, дБ  Полоса пропуска- ния, МГц-км  Регене- рационный участок, км  Электро- питание  Дальность связи, км  Кабель  Число во- локон  Тип во- локна, мкм  Диаметр кабеля, мм  Масса, кг/км	икм- 120 8,5  0,85  3—5  50  250—500  12  М	икм- 120 8,5  0,85 и 1,3  1—3  38  250—500  12—30  М	икм- 120 8,5  1,3  0,7—1,5  41  500  30  Д	икм- 480  34  1,3  0,7—1,5  41  1000  30  Д	ИКМ- 1920 140  1,3  0,7  38  5000  30  А	икм- 1920  140  1,55  0,3  38  5000  До 100  Д и А	икм- 7680  560  1,55  0,3  38  5000  До 100  Д и А
	12  ОК-50  4 и	До 100  окк  8	До 600		До 2500		
			озкг 4 и 8  50/125  17  370		ОМЗКГ  4 и 8	ОКЛ 4, 8 и 16	
	50/125  14  140				8/125  20  350—380		

Примечание. М -местное, Д—дистанционное, А—автономное питание

Таблица 1.2. Технические данные зарубежных оптических систем передачи

Страна	Кабель			Система передачи				
	Тип ка- беля	Число воло- кон	Тип во- локна	Длина волны, мкм	Затуха- ние, дБ/км	Длина участ- ка, км	Аппаратура	Скорость, Мбит/с
Велико- британия	С повивной скруткой	6-48	Много- модовое	0,85 1,3	2,5  0,6	10  25	ИКМ-120  ИКМ-1920	8,5  140
Продолжение табл. 1.2

Страна	Кабель			Система передачи				
	Тип ка- беля	Число воло- кон	Тип во- локна	Длина волны, мкм	Затуха- ние, дБ/км	Длина участ- ка, км	Аппаратура	Скорость, Мбит/с
Франция	С профи- лирован- ным сердеч- ником	10-60	Одномо- довое, много- модовое	1,3  0,82	0,5 2	40  15	ИКМ-1920  ИКМ-480	140  34
США	Плоский  V	48 —  144	Одно- модовое, много- модовое	1,31  1,3	0,5 2-3	36 10-20	ИКМ-672	432  44,7
Япония	С повин- ной скрут- кой	6-18	Одно- модовое, много- модовое	1,55  1,32	0,3  0,5	134  50	ИКМ-480	34
Германия	С повив- ной скрут- кой	6	Много- модовое	0,82 1,3	3,4  1,2	10  20	ИКМ-480  ИКМ-1920	34  140

Таблица 1.3. Технические данные зарубежных подводных линий оптической
связи

Страна	Система передачи, Мбит/с	Число воло- кон	Число каналов по паре волокон	Длина волны, мкм	Расстоя- ние меж- ду реге- нерато- рами, км	Длина ли- нии, км	Глу- бина, км	Год про- клад- ки
Великобри- тания	140- 280	8	1920—  4000	1,3	40	1000  7500	7,5  7,5	1986  1988
США	280	6	4000	1,3	40-56	6500-	6	1988
Франция	140-280	6	1920 — 4000	1,3- 1,55	46	300	26	1985
Япония	260 -400	6	4000	1,3	50	300-1000 7200	__	1988
Австралия	280	6	4000	1,55	150	13000	—	1993

Сети оптических кабельных линий строятся по одному из
вариантов (рис. 1.4, а—г) конфигурации сетей, применяется
также сочетание этих вариантов.
2

9

1.3. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА

Оптическая световодная связь базируется на применении
квантовых приборов, называемых лазерами. Принцип действия
лазеров основан на использовании излучения атомами вещества
под воздействием внешнего электромагнитного поля. Известно,
что движение электронов атома вокруг ядра характеризует
энергетическое состояние электронов, иначе называемое энерге-
тическим уровнем. Каждому уровню соответствует определен-
ная орбита вращения электронов, и чем дальше от ядра
находятся электроны, тем большей энергией они обладают. При
переходе электронов с одной орбиты на другую под воздействи-
ем внешнего электромагнитного поля меняется населенность
энергетического уровня и происходит излучение энергии.

Чтобы электроны перевести на верхний уровень, к атому
необходимо подвести дополнительную энергию. Процесс энер-
гетического перехода при излучении показан на рис. 1.5. За
счет подводимой электромагнитной энергии электроны пере-
водятся на вспомогательный уровень 3, затем происходит их
произвольное скопление на верхнем энергетическом уровне 2.

Рис. 1.5. Световое излучение под'воздей-
ствием электромагнитного поля

Излучение света,

1
Рис. 1.6. Принцип действия полупроводникового лазера

Возвращение электронов в основное состояние на нижний
энергетический уровень 1 сопровождается интенсивным излуче-
нием квантов света—фотонов.

В настоящее время известны различные типа лазеров —
полупроводниковые, твердотельные, газовые, химические и др.
Полупроводниковый лазер представляет собой полупровод-
никовый диод с р—п переходом, выполненный из активного
материала, способного излучать фотоны. В качестве такого
материала ^преимущественно используется арсенид галлия GaAs
с соответствующими добавками (теллура, алюминия, кремния,
цинка). В зависимости от характера и количества присадок
полупроводника имеем области электронной п (за счет теллура)
и дырочной р (за счет цинка) проводимостей.

Под воздействием приложенного напряжения в полупровод-
нике происходит возбуждение носителей, в силу чего возникает
излучение световой энергии и появляется поток фотонов. Этот
поток, многократно отражаясь от зеркал, образующих резо-
нансную систему, усиливается, что приводит к появлению
лазерного луча с остронаправленной диаграммой излучения.

Схематично полупроводниковый лазер показан на рис. 1.6.
Объем полупроводника примерно 1 мм3. К нему подведены
металлические электроды для подачи электрического напряже-
ния от генератора Г. Роль отражающих зеркал выполняют
плоскопараллельные отполированные торцевые грани полу-
проводника. Излучение происходит в слое р—п перехода
толщиной 0,15—0,2 мкм.

В настоящее время в качестве источников оптического
излучения наряду с лазерами применяется светоизлучающий
диод, который представляет собой такой же полупроводник
из арсенида галлия, но не имеет резонансного усиления.
В отличие от лазера в СД излучение происходит спонтанно
(самопроизвольно) и луч имеет меньшую мощность и широкую
диаграмму направленности излучения.

Отличие лазерного излучения от обычного света состоит
в том, что в первом случае имеет место строго фазированное,
когерентное, т. е. согласованное во времени и пространстве,
движение фотонов и создается
остронаправленный луч. При
обычном свете движение этих
частиц несогласованно и из-
лучается довольно широкий
спектр волн. Последнее обу-
словлено тем, что обычный
свет имеет тепловой источник
излучения фотонов, а лазерное
излучение имеет в своей основе
электромагнитную природу.

Лазерный луч обладает ря-

Свет

Рис. 1.7. Принцип действия фотодио-
да

дом замечательных свойств. Он распространяется на большие
расстояния и имеет строго прямолинейное направление. Луч —
это очень узкий пучок с малой степенью расходимости. Так,
лазерный луч достигает Луны с фокусировкой сотни метров.
Лазерный луч выделяет много тепловой энергии и может
пробивать отверстия в любом материале. Интенсивность луча
может быть больше, чем интенсивность самых сильных

источников света.

Фотодиоды (ФД) выполняют обратные функции по сравне-
нию с СД или ПЛ. Они преобразуют оптические сигналы
в электрические. Здесь используется фотоэлектрический эффект,
при котором в результате падения лучей света создаются носители
электрических зарядов и появляется электрический ток (рис. 1.7).

В полупроводниковых ФД кванты оптической энергии
вызывают образование пар противоположных зарядов, направ-
ленное движение которых в слоях кристалла приводит к про-
теканию электрического тока. Этот ток пропорционален мощ-
ности оптического сигнала. Таким образом, ФД преобразует
световую энергию в электрическую.

Наиболее широкое применение получили арсенид-галлиевые
лавинные ФД и кремниевые ФД. Достоинством лавинных ФД
является существенное увеличение силы тока из-за вновь
образуемых носителей.

1.4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ

Сравним ОК с электрическими кабелями (симметричными
и коаксиальными), а также другими направляющими системами
передачи (волноводами, сверхпроводящими кабелями, воздуш-
ными линиями). Частотно-волновые диапазоны использования
различных направляющих систем передачи высокочастотной
энергии показаны на рис. 1.8.

Из рисунка видно, что по частотному диапазону исполь-
зования наиболее широкие возможности открывают волноводы
ТГЦ

I ?1 Ф--------*

11 1012 10™\10™ 1015 /,ГЦ
—1—!—I-----------------

0,3 мм I 0,3 мкм Л.

кГц, МГЦ	ГГц

Н-1 ^|1 -I-

10s 10^ ^105 10е 'o' ioe \ ®5 ю1010

I—н+-
300 км |	300 м

130см I

t-1—t

I I 1	।

чричный кадель

] „ I	L	J

Коаксиальный кабель

1	।	1	I	।

СЗеыхчроводящий /<сг<Уе./7ь

hllllllll Волновод

Оптический

Рис. 1.8. Частотно-волновые

диапазоны различных направляющих систем

и ОК, а также коаксиальные кабели. Весьма ограниченный
диапазон имеет симметричные цепи. Воздушные линии и сим-
метричные кабели используются в диапазоне не выше 105—
10б Гц. Коаксиальные цепи магистральной связи и телевидения
работают в диапазоне до 108 Гц, а по антенно-фидерным
коаксиальным кабелям передаются метровые, дециметровые
и реже сантиметровые волны (до 109 Гц). Волноводы занимают
главным образом миллиметровый диапазон частот 1О10—
1011 Гц. По сверхпроводящим кабелям предполагается передача
информации в диапазоне до 109 Гц. Оптические кабели работа-
ют в диапазоне волн длиной несколько микрометров (частоты
1014—1015 Гц).

На рис. 1.9 показаны частотные зависимости затухания
различных направляющих систем передачи. Из рисунка видно,
что симметричные цепи (кабельные и воздушные) резко
увеличивают свое затухание с ростом частоты. Им свойственны
все три вида потерь: в металле, в диэлектрике и на излучение.
В коаксиальных кабелях затухание возрастает более плавно.
Они как закрытые системы не имеют потерь на излучение.
Затухание волноводов на магнитной волне Н01 в отличие от
других направляющих систем с частотой уменьшается. Как
видно из рисунка, они не пропускают частоты до 109 Гц,
а в области более высоких частот (1О10—Ю11 Гц) обладают
весьма малым затуханием.

Оптические кабели имеют потери на поглощение в ди-
электрике и на рассеяние света. Они пропускают сигналы со
Рис. 1.9. Частотные зависимости затухания симметричного кабеля СК, коак-
сиального КК, сверхпроводящего СПК, волновода В, оптического кабеля ОК

сравнительно небольшим затуханием в диапазоне 1014—
1015 Гц.

Вне конкуренции по затуханию находится сверхпроводящий
кабель. Его затухание ничтожно мало. Однако, как видно из
рис. 1.9, сверхпроводящий кабель имеет очень малое затухание
лишь до частоты 109 Гц, а затем затухание резко возрастает.

Сопоставляя приведенные направляющие системы по на-
личию внешнего электромагнитного поля и защищенности от
взаимных и внешних помех, можно признать, что в наивыгод-
нейших условиях находятся коаксиальная цепь и волновод.
Эти конструкции являются полностью экранированными закры-
тыми системами, не имеют излучения и свободны от взаимных
и внешних помех. Также весьма высокой помехозащищен-
ностью обладает ОК. Сверхпроводящий кабель выгодно от-
личается высокими экранирующими свойствами и малыми
затуханием и собственными тепловыми шумами.

Сравнительная технико-экономическая эффективность раз-
личных направляющих сред может быть охарактеризована
стоимостью одного канало-километра Q\ в зависимости от
числа каналов N (рис. 1.10).

Сравнивая приведенные направляющие системы, можно
признать, что наилучшими являются коаксиальный и оптичес-
кий кабели.

Достоинством коаксиального кабеля является широкополос-
ность и высокая помехозащищенность. Оптические кабели можно
рассматривать как перспективное средство передачи широкопо-
лосной информации в узконаправленном луче оптического
диапазона. Их достоинствами являются большая длина регенера-
ционного участка, а также малые масса и габаритные размеры.
Кроме того, их можно изготовлять большими строительными
длинами и, как правило, без применения металлов.

2 Заказ 2460-	17
Рис. 1.10. Эффективность
различных направляющих
систем:

ВЛ—воздушная линия; СК—
симметричный кабель; ОК—оп-
тический кабель; КК—коакси-
альный кабель; В—волновод

Хорошим сред-
ством передачи широ-
кополосной информа-
ции является также ци-
линдрический волно-
вод при использовании
магнитной волны Н01.
Но он не получил ши-
рокого применения
в силу громоздкости,

сложности конструкции и малых строительных длин.

Симметричные цепи (воздушные линии и симметричные
кабели) широко используются для устройства дальних и мест-
ных связей в ограниченном диапазоне частот (как правило,
до 1 МГц). Этим цепям свойственны все недостатки открытых
систем — большие потери энергии и плохая защищенность от
взаимных и внешних помех.

Сверхпроводящие кабельные линии являются перспективным
средством передачи энергии. Последние достижения в области
высокотемпературной сверхпроводимости выдвинули сверхпрово-
дящие кабели на передовые рубежи в электротехнике и связи. Уже
сегодня на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП)
и дешевого хладагента азота (Т=77 К) вместо дорогого гелия
(Т = 4 К) достигаются высокие сверхпроводящие свойства и малое
затухание кабеля. Одновременно ведутся дальнейшие работы по
расширению диапазона температур сверхпроводимости (Т«290 К).
Однако пока затраты на сооружение сверхпроводящей магистрали
превышают затраты на обычную кабельную магистраль.

Из рис. 1.10 видна вполне обоснованная закономерность
снижения стоимости одного канало-километра линии связи
с увеличением числа каналов. Стоимость канала обратно

пропорциональна корню из числа каналов, т. е. 1/^/У. Имеется

прямая связь между экономичностью системы и ее широко-
пол осностью. Как видно из рисунка, самой дешевой является
связь по ОК, затем идет коаксиальный кабель, и наконец,
самой дорогой является связь по воздушным линиям.

Области эффективного применения различных направля-
ющих систем по зарубежным данным показаны на рис. 1.11.

Ниже приведена сравнительная технико-экономическая эф-
фективность (в процентах) наиболее широко применяемых
Рис. 1.11. Область эффективного применения различных направляющих систем:
1—симметричный кабель; 2—коаксиальный кабель; 3—волновод; 4—ОК

в настоящее время направляющих систем. За 100% принята
стоимость одного канало-километра воздушной линии с мед-
ными проводами (d=4 мм).

Симметричный кабель (</=1,2мм)........................... 35—50

Коаксиальный кабель типа 2,6/9,4 мм...................... 10—15

Малогабаритный коаксиальный кабель типа 1,2/4,4 мм....... 9

Радиорелейная линия (число каналов W=600)................ 15

Эффективность применения тех или иных типов линий
связи во многом зависит от потребного числа каналов связи
и телевизионного вещания на проектируемой магистрали,
принятых систем передачи, соотношения стоимости кабеля
и аппаратуры и других факторов. Целесообразность применения
различных направляющих систем в зависимости от потребного
числа каналов приведена ниже:

?/<50.................Воздушная линия

jV<500 ...............Симметричный кабель

Л'<10000.............Коаксиальный кабель

N > 1000 .............Оптический кабель

Отсюда видно, что коаксиальные кабели по сравнению
с симметричными эффективны начиная с числа каналов,
равного 500. Область их эффективного использования рас-
пространяется до 10 тысяч каналов. Оптические кабели целесо-
образно применять при потребности 1000 и более каналов
и во всех случаях, когда ограничены ресурсы меди.

В настоящее время ОК стоят довольно дорого. Это
объясняется высокой стоимостью оптических волокон, которая
составляет примерно 80% общей стоимости кабеля. Однако,
несмотря на высокую стоимость ОК при расчете на один
канал связи, они выигрывают. Стоимость канало-километра
связи является важнейшим показателем технико-экономической
эффективности системы связи. Она определяется суммарной
стоимостью кабеля, линейных регенераторов и оконечной
аппаратуры, поделенной на число каналов и число километров
тракта. Сравним стоимость 1 кан-км связи по коаксиальному
(КМБ-4) и оптическому (ОК-8) кабелям. Примем стоимость
КМБ-4, равной 4000 руб/км, стоимость ОК-8 — 12000руб/км.
Ориентировочная стоимость линейного регенератора 6000 руб.
Оконечную аппаратуру не учитываем, так как она равноценна
в обоих вариантах. Примем системы передачи ИКМ-120;
ИКМ-480; ИКМ-1920. По коаксиальному кабелю можно ре-
ализовать две системы, а по восьмиволоконному ОК четыре
системы. Сравнительные данные приведены в табл. 1.4.

Таблица 1.4. Стоимость канала связи по коаксиальным и оптические кабели

	Коаксиальный кабель			Оптический кабель		
	ИКМ-120	ИКМ-480	ИКМ-1920	ИКМ-120	ИКМ-480	ИКМ-1920
Стоимость кабеля, руб.	4000	4000	4000	11000	11000	11000
Стоимость регенератора, руб.	8000	8000	8000	35000	35000	35000
Длина реге- нерационного о участка, км	12	6	3	70	70	70
Стоимость регенератора на 1 км трассы, руб-	665	1330	2660	500	500	500
Суммарная стоимость 1 км трассы, руб. (кабель + реге- нератор)	5465	6130	9460	11500	11500	11500
Число кана- лов	240	960	3840	480	1920	7680
Стоимость  1 кан-км, руб.	22,7	6,4	2,47	24	6	1,5

Из приведенных данных видно, что при малом числе
каналов (ИКМ-120) дешевле передача по электрическому ка-
белю, а с увеличением числа каналов (ИКМ-480, ИКМ-1920)
эффективным становится ОК. Это же положение характеризу-
ется рис. 1.12, где приведены кривые стоимости канало-
километра связи для цифровых оптических кабельных систем,
там же представлена зависимость стоимости канало-километра
в системах передачи по электрическим кабелям, обратно
пропорциональная корню из числа каналов l/y/N. Из рисунка
видно, что стоимость связи по ОК падает с ростом числа
каналов более резко. По сравнению с электрическими оп-
тические системы более дороги при небольшом числе каналов
и более дешевы при большом их числе.

В результате можно признать, что по экономическим
показателям оптические системы передачи информации целесо-
Рис. 1.12. Относительная стоимость
одного канало-километра линии пе-
редачи б]:

1—электрический кабель; 2—ОК

образно применять начиная
примерно с 1000—2000 кана-
лов, а исходя из экономии
цветных металлов—при лю-
бом числе каналов.

Высокая технико-экономи-

ческая эффективность ОК обу-

словлена прежде всего двумя факторами: большой пропускной
способностью и большими длинами регенерационных участков
(30—50 км на ОК и 1—5 км на ЭК).

При этом по мере развития массового производства
кварцевых заготовок и волокна стоимость снижается. Это
иллюстрируется американскими данными о стоимости (в
долларах) 1 м оптического волокна: 1980 г.— 2; 1990 г.— 0,2;
2000 г.—0,02.

За 10 лет стоимость волокна уменьшилась на порядок
и еще на порядок ожидается ее снижение к 2000 г.

Объективным критерием оценки любой системы передачи
информации принято считать произведение пропускной способ-
ности линии AF на длину трансляционного участка I, т. е.
p=kFl. Для различных типов НС эти данные представлены
в табл. 1.5.

Таблица 1.5

Параметр	вл	СК	КК	ОК		СПК
				мов	ООВ	
kF, Гц	Ю5	106	108	Ю8	ю9	ю8
/, км	100	20	3	30	100	100
р, Гц км	107	2 107	ЗЮ8	3-10®	ю11	ю10

Приведенные данные свидетельствуют о высокой эффектив-
ности ОК с одномодовыми оптическими волокнами (ООВ).

1.5. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ

Основные достоинства ОК и некоторые области их исполь-
зования перечислены на рис. 1.13. Для систем связи существен-
ными являются показатели 1—5, для автоматизированных
Рис. 1.13. Основные достоинства и главные области приме-
нения ОК

систем управления и ЭВМ—показатели 1, 2, 3. Мобильные
подвижные системы требуют прежде всего обеспечения показа-
телей 1, 2, 6.

Область возможных применений ОК весьма широка—от
линии внутригородской связи и бортовых комплексов до
систем связи на большие расстояния с высокой информаци-
онной емкостью. На основе ОК могут быть созданы принципи-
ально новые системы передачи информации, а также сущест-
венно улучшены и удешевлены существующие системы.

Весьма перспективно применение ОК в кабельном телевиде-
нии, которое обеспечивает высокое качество изображения
и существенно расширяет возможности информационного об-
служивания индивидуальных абонентов. В этом случае обес-
печивается заказная система и представляется возможность
абонентам получать на экранах своих телевизоров изображения
газетных полос, журнальных страниц и справочных данных
из библиотек, учебных центров, специальных центров хранения
информации.

Развитие получит видеотелефонная связь, при которой
абоненты смогут не только слушать, но и видеть друг друга.
Перспективной областью применения ОК является также
высокоскоростная связь внутри мощных ЭВМ, между ЭВМ
и терминалами^ а также между отдельными ЭВМ на расстояни-
ях от нескольких метров до десятка километров.

Представляет интерес применение ОК в системах управления
производственными процессами в условиях повышенной опас-
ности для здоровья человека (например, на ядерных элект-
ростанциях, химических предприятиях), а также в условиях
сильных электромагнитных помех, возникающих при включении
и выключении силовых кабелей, контакторов и т. д.

Высокая помехозащищенность, скрытность передачи, малая
масса и небольшие габаритные размеры особенно важны при
использовании ОК в бортовой радиоэлектронной аппаратуре
самолетов, танков, кораблей и подводных лодок.

Первые ОК использовались на длине волны Х = 0,8 4-0,9 мкм
и были разработаны на многомодовых волокнах. В настоящее
время получили развитие более длинные волны
Х= 1,3-4-1,6 мкм. Потери в оптических волокнах при этом
снижаются до 0,2—0,5 дБ/км, что позволяет увеличить длину
регенерационного участка в линии связи до 50—80 км. Это
расширяет возможность использования ОК для междугородной
связи, так как исключается потребность в дистанционном
электропитании линейных регенераторов и упрощается конст-
рукция кабеля (не нужны медные жилы для дистанционного
питания необслуживаемого регенерационного пункта).

За последнее время появилось новое направление в развитии
волоконной оптики — использование инфракрасного диапазона
волн 2—10 мкм. Ожидается, что потери в этом диапазоне
не будут превышать 0,2 дБ/км. Это позволит осуществить
связь на большие расстояния с участками регенерации 100 км.

Исследование фтористых стекол, содержащих фтор с добавка-
ми металла (цирконий и др.), а также других соединений,
обладающих сверхпрозрачностью в инфракрасном диапазоне волн,
позволит еще больше увеличить длину регенерационного участка.

Следует отметить, что если раньше в основном применялись
ступенчатые и градиентные многомодовые волокна, то сейчас
развитие идет по пути внедрения одномодовых волокон.
Изготовление последних сложнее (диаметр сердечника 8—
10 мм), однако они обладают широкой информационно-про-
пускной способностью.

Оптические кабели с одномодовыми волокнами получают
развитие на междугородных линиях связи большой протяжен-
ности и на подводных магистралях. Кабели с многомодовыми
волокнами широко применяются на городских телефонных
сетях и на объектовой связи.

В основном используется временное разделение каналов,
которое связано высокими требованиями к быстродействию
источников, модуляторов и приемников излучения для увеличе-
ния пропускной способности канала. Под временным разделе-
нием понимается передача на одной оптической несущей
коротких импульсов с высокой частотой следования. Однако
возможности временного разделения каналов ограничены на-
личием дисперсии в волоконных световодах.

Большие усилия были направлены на изготовление волокон-
ных световодов, обладающих большей по сравнению с другими
НС широкополосностью (произведение ширины полосы на
расстояние) на заданной оптической несущей. Получены све-
товоды с широкополосностью порядка 10 ГГц  км одновремен-
но для многих оптических несущих в диапазоне 0,7— 1,6 мкм.

Весьма перспективно использование в ОК частотного разделе-
ния каналов, которое заключается в том, что в световод
.одновременно вводится излучение от нескольких источников,
работающих на разных частотах, а на приемном конце
с помощью оптических фильтров происходит разделение сигна-
лов. Такой способ разделения получил название спектрального
уплотнения. При интервале между оптическими несущими 10 нм
в диапазоне 0,8—1,8 мкм можно реализовать в принципе 100
стволов. Спектральное уплотнение позволит использовать прак-
тически всю сверхширокую оптическую полосу пропускания
волоконных световодов, которая составляет примерно 2 • 105 ГГц.

В настоящее время для организации двусторонней связи
между двумя пунктами с помощью ОК требуется два волокна
в кабеле. Спектральное уплотнение обеспечит такую связь по
одному волокну.

При рассмотрении структур абонентских сетей ОК кроме
традиционной структуры телефонной связи радиально-узлового
типа должны учитываться также возможности организации
кольцевых сетей. Важным преимуществом кольцевой структуры
является экономия кабеля, поскольку при такой структуре
вместо индивидуальных абонентских линий, соединяющих каж-
дый аппарат с узлом коммутации, применяются групповые
линии, последовательно проходящие через ряд аппаратов.

Можно полагать, что в волоконно-оптических системах
передачи (ВОСП) второго поколения усиление и преобразование
сигналов в регенераторах будет происходить на оптических
частотах с применением элементов и схем интегральной оптики.
Это упростит схемы регенерационных усилителей, улучшит их
экономичность и надежность, снизит стоимость.

В третьем поколении ВОЛС предполагается использовать пре-
образование речевых сигналов в Оптические непосредственно с по-
мощью акустооптических преобразователей оптических телефонов.

Проводятся большие работы по созданию принципиально
новых АТС, действующих на основе оптической коммутации,
где коммутируются световые, а не электрические сигналы.
Имеются примеры создания многопозиционных быстродейст-
вующих оптических переключателей, которые могут применять-
ся на подобных АТС. Например, в простейшем варианте
переключателя типа 1X2 коммутация одного оптического входа
с двумя оптическими выходами осуществляется с помощью
электромагнита, перемещающего отрезок оптического волокна,
покрытый металлической пленкой, между двумя стационар-
ными положениями. Каскадно соединяя некоторое число таких
переключателей, можно создавать коммутаторы. Работа пе-
реключателей контролируется микропроцессором, сигналы к ко-
торому поступают от фотоприемников, установленных в местах
стыковки оптических волокон.

Для передачи изображения будет применяться такая аппара-
тура, которая обеспечит возможность непосредственного скани-
рования и разложения оптического изображения и последующую
его передачу без использования электронных схем. Все это дает
возможность значительно упростить оконечное оборудование
систем и улучшить их технико-экономические показатели.

Для широкого применения ОК и волоконно-оптических
систем передачи необходимо решить целый ряд задач. К ним,
прежде всего, относятся следующие:

проработка системных вопросов и определение технико-
экономических показателей применения ОК на сетях связи;

массовое, промышленное изготовление одномодовых воло-
кон, световодов и кабелей, а также оптоэлектронных устройств
для них;

повышение влагостойкости и надежности ОК применения
металлических оболочек и гидрофобного заполнения;

освоение инфракрасного диапазона волн 2—10 мкм и новых
материалов (фторидных и халькогенидных) для изготовления
световодов, позволяющих осуществить связь на большие
расстояния;

разработка испытательной и измерительной аппаратуры,
рефлектометров, тестеров, необходимых для производства ОК,
настройки и эксплуатации ВОЛ С;

механизация технологии прокладки и автоматизация мон-
тажа ,ОК;

совершенствование технологии промышленного производ-
ства волоконных световодов и ОК и снижение их стоимости;

исследование и внедрение солитонового режима передачи, при
котором происходит сжатие импульса и снижается дисперсия;

разработка и внедрение системы и аппаратуры спектраль-
ного уплотнения ОК;

создание интегральной абонентской сети многоцелевого
назначения;

создание передатчиков и приемников, непосредственно пре-
образующих звук в свет и свет в звук;
повышение степени интеграции элементов и создание быст-
родействующих узлов каналообразующей аппаратуры ИКМ
с применением элементов интегральной оптики;

создание оптических регенераторов без преобразования
оптических сигналов в электрические;

совершенствование передающих и приемных оптоэлектрон-
ных устройств для систем связи, освоение когерентного приема;

разработка эффективных методов и устройств электропита-
ния промежуточных регенераторов для зоновых и магист-
ральных сетей связи;

оптимизация структуры различных участков сети с учетом
особенностей применения систем на ОК;

совершенствование методов и аппаратуры для частотного
и временного разделения сигналов, передаваемых по световодам;

разработка системы и устройств оптической коммутации.

ГЛАВА ВТОРАЯ

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ
♦

2.1.	ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ

Основным элементом ОК является волоконный световод,
выполненный в виде тонкого стеклянного волокна цилинд-
рической формы, по которому осуществляется передача волн
длиной несколько микрон, что соответствует диапазону частот
1014—1015 Гц.

Волоконный световод (ВС), как правило, имеет двухслойную
конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными
показателями преломления п± и п2.

Волоконные световоды делятся на две группы: многомодо-
вые и одномодовые. Первые, в свою очередь, подразделяются
на ступенчатые и градиентные (рис. 2.1). У ступенчатых ВС
показатель преломления в сердцевине постоянен и имеется рез-
кий переход от пг сердцевины к п2 оболочки. Градиентные ВС
имеют непрерывное плавное изменение показателя преломления
в сердцевине по радиусу световода от центра к периферии.

В конструктивном отношении одномодовые и многомодовые
ВС различаются диаметром сердцевины. В одномодовых
световодах диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны (г/~?0,
и по нему передается лишь один тип волны (мода). В многомодо-
вых световодах диаметр сердцевины больше, чем длина волны
(б/>Х), и по нему распространяется большое число волн.

Практически сердцевина световодов составляет 6—8 мкм
у одномодовых и 50 мкм у многомодовых световодов, диаметр
оболочки 125 мкм. Снаружи располагается двухслойное по-
крытие из полимера диаметром до 500 мкм.
Таким образом, в настоящее время применяются ВСтрех
типов: одномодовые, многомодовые ступенчатые и многомо-
довые градиентные (рис. 2.1). Как видно из рисунка, ход
лучей в различных световодах различен. В ступенчатом мно-
гомодовом световоде лучи резко отражаются от границы
сердцевина — оболочка. При этом пути следования различных
лучей различны и поэтому они приходят к концу линии со
сдвигом во времени. Это приводит к искажению передаваемого
сигнала (дисперсия).

Градиентные световоды также являются многомодовыми.
Но здесь лучи распространяются по волнообразным траек-
ториям и искажений меньше.

В наилучших условиях находится одномодовая передача,
так как здесь распространяется лишь один луч.

В общем виде профиль показателя преломления (ППП)
меняется по закону

иг = л0

(2-1)

где п0—максимальное значение ППП на оси волокна, т. е.
при т=0; а—радиус сердцевины; и—показатель степени,
описывающий изменение ППП;
= 0,003-0,01.

2и.	»!

(2.2).

Для градиентного световода, имеющего параболический
профиль показателя преломления и = 2, следовательно, получим

2”11/2

лг=и0 1—2Д

Дпя ступенчатого ППП показатель степень п = оо, т. е.
получим известное выражение

«2 = «i [1 —△11-

Сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии,
а назначение оболочки—в основном создание лучших условий
отражения на границе сердцевина—оболочка и защита от
излучения энергии в окружающее пространство.

Передача осуществляется в оптическом диапазоне волн (X
в микрометрах), что соответствует спектру частот f— 1014н-1015 Гц.

Рассмотрим физические процессы, происходящие при рас-
пространении электромагнитных волн в волоконных светово-
дах. В отличие от обычных кабелей, обладающих электрической
проводимостью, ОК имеют совершенно другой механизм,
а именно токи смещения, на основе которых действует также
радиопередача. Отличие от радиопередачи состоит в том, что
волна распространяется не в свободном пространстве, а кон-
центрируется в самом объеме световода и передается по нему
в заданном направлении (рис. 2.2).

Передача волны по световоду осуществляется за счет
отражений ее от границы сердцевины и оболочки, имеющих
разные показатели преломления ,пг и п2.

В обычных кабелях носителем передаваемой информации
является электрический ток, а в ОК—лазерный луч. В широко
применяемых в настоящее время симметричных и коаксиальных
кабелях передача осуществляется по двухпроводной схеме
с применением прямого и обратного проводников цепи
(рис. 2.3, а). Так же работают воздушные линии и сверх-
проводящий кабель.

Рис. 2.2. Процесс передачи:
а—по радио; б—по световоду
Рис. 2.3. Передача энергии по двухпроводным (а) и волноводным (б), направ-
ляющим системам	\

В световодах, волноводах и других направляющих системах
нет двух проводников и передача происходит волноводным
методом по закону многократного отражения волны от
границы раздела сред (рис. 2.3,6).

Такой отражательной границей может быть металл—ди-
электрик, диэлектрик—диэлектрик с различными диэлектричес-
кими (оптическими) свойствами и др. На волноводном прин-
ципе действуют световод, волновод, диэлектрический волновод
и другие конструкции направляющих систем (НС).

Граница раздела двухпроводных (двухсвязных) и волновод-
ных (односвязных) направляющих систем характеризуется пре-
жде всего соотношением между длиной волны X и поперечными
размерами НС d.

При требуются два провода (прямой и обратный)
и передача происходит по обычной двухпроводной схеме. При
Х<6? не требуется двухпроводной системы и передача проис-

ходит за счет многократного
раздела сред с различными
показателями преломления.

Поэтому передача по вол-
новодным системам (светово-
дам, волноводам и другим
НС) возможна лишь в диа-
пазоне очень высоких частот,
когда длина волны меньше,
чем поперечные размеры (диа-
метр НС).

Особенности различных
НС связаны с частотными
ограничениями при передаче
энергии по различным систе-
мам (рис. 2.4). Принципиально
различен частотный диапазон

отражения волны от границ

Рис. 2.4. Затухание сигнала в двухпро-
водных (/) и волноводных (2) систе-
мах
передачи по волноводным и двухпроводным системам. Вол-
новодные системы имеют частоту отсечки—критическую
частоту /0, работают как фильтры высокой частоты и по
ним возможна лишь передача волн длиной меньше чем Хо.
(Только гибридная волна НЕц в световоде не имеет критичес-
кой частоты.) Двухпроводные системы свободны от этих
ограничений и способны передавать весь диапазон частот от
нуля и выше. Правда, потери и затухание в них больше.

В табл. 2.1 приведена частотно-волновая классификация
применяемых в настоящее время НС с указанием числа
передаваемых каналов связи N.

Таблица 2.1. Частотно-волновая классификация НС

Параметр	ВЛ	СК	КК	СПК	В	ок
f, Гц	103	106	ю8	10®	ю10-11	1014-15
X, м	103	102	1	1	10“3	106
d	20 см	3 мм	4 мм	2 мм	50 мм	50 мкм
N	10	100	1000	1000	—	10000

Воздушная линия (ВЛ), симметричный (СК), коаксиальный
(КК) и сверхпроводящий (СПК) кабель используются на
волнах длиной больше поперечных размеров (Х><7), и здесь
применяются двухпроводные системы (кривая 1, рис. 2.4).
Волновод (В) и оптический кабель (ОК) работают на очень
коротких волнах (Х<<7), и здесь действует волноводный
принцип передачи (кривая 2, рис. 2.4).

На рис. 2.5 показаны предельные случаи распространения
малых длин волн при Х->0 (рис. 2.5, а) и волн, соизмеримых
с диаметром световода при k-^d (рис. 2.5,6). В первом случае
(^->0 и /->оо, угол 0->9О°) отражений мало и волна стремится
к прямолинейному движению вдоль световода. В этом случае
передача по световоду проходит в выгодных условиях.

Рис. 2.5. Распространение волны в световоде для частот:
а—очень высоких; б—менее высоких; в—критических
Рис. 2.6. Принцип действия волоконного световода:

1—имеется преломленный луч; 2 и 3—отсутствует преломленный луч

Во втором случае (k-*d и f-*c]cT) угол 6-» 0, волна
испытывает большое число отражений и поступательное движе-
ние ее весьма мало. В этом случае вдоль световода передается
незначительная доля энергии.

При определенной длине волны (рис. 2.5,в) наступает такой
режим, когда 6 = 0, и волна падает на оболочку световода
и отражается перпендикулярно. В световоде устанавливается
режим стоячей воды, й энергия вдоль световода не перемеща-
ется. Этот режим соответствует критической длине волны
Хо = <7 и критической частоте f^cfd.

Таким образом, в световоде могут распространяться лишь
волны длиной меньшей, чем диаметр сердцевины световода
(Х<<7). С учетом того что в световоде границей раздела
сердцевина—оболочка являются прозрачные стекла, возможно
не только отражение оптического луча, но и проникновение
его в оболочку. Для предотвращения перехода энергии в обо-
лочку и излучения в окружающее пространство необходимо
соблюдать условия полного внутреннего отражения. Реализация
этого условия применительно к двухслойному световоду по-
казана на рис. 2.6.

По законам геометрической оптики в общем виде на
границе сердцевина—оболочка будут находиться падающая
волна АВ с углом <рп, отраженная ВС с углом <р0 и прелом-
ленная волна BD с углом <рпр (рис. 2.6, линия 7). Известно,
что при переходе из среды с большей плотностью в среду
с меньшей плотностью, т. е. при п}>п2, волна при определен-
ном угле падения полностью отражается и не переходит
в другую среду. Угол падения, начиная с которого вся энергия
отражается от границы раздела сред, т. е. (рп = 6в, называется
углом полного внутреннего отражения.

Этот угол определяется из соотношения

sin0B = n2/«l=\/Pr2£>-2/PrlErl>	(2-3)
Рис. 2.7. Апертура волоконного световода

где |irl и £rl, |ir2 и ^г2—магнитная и диэлектрическая
приницаемости сердцевины и оболочки.

При критическом угле <рп = 6В волна движется вдоль границы
раздела фед сердцевина—оболочка (рис. 2.6, линия 2) и нет
излучения в окружающее пространство. При <рп > 6В волна
полностью отражается и возвращается в исходную феду —
сердцевину (рис. 2.6, линия 3). Излучения также нет. Чем
больше угол падения волны, т. е. <рп >6В в пределах от 6В до
90°, тем лучше условия распространения и быстрей волна
придет к* приемному концу. В этом случае вся энергия
концентрируется в сердцевине световода и практически не
излучается во внешнюю среду.

При угле, меньшем угла полного отражения, т. е. при
<рп<0в, энергия проникает в оболочку, излучается во внешнее
пространство, и передача по световоду неэффективна.

Режим полного внутреннего отражения предопределяет
условие ввода света во входной торец волоконного световода.
Как видно из рис. 2.7, световод пропускает лишь свет,
заключенный в пределах телесного угла 6Л, который обусловлен
углом полного внутреннего отражения 6В. Этот телесный угол
характеризуется апертурой.

Апертура—это угол между оптической осью и одной из
образующих светового конуса, попадающего в торец волокон-
ного световода, при котором выполняется условие полного
внутреннего отражения.

Обычно пользуются понятием числовой апертуры:

NA = «о sin 6Л = Пох/и1~и2,
где п0, и15 п2 — показатели преломления воздуха, сердцевины,
оболочки. Имея в виду, что для воздуха п0=1, получаем

NA=y/nl—nl.	(2.4)

Как видно из рис. 2.7, между углами полного внутреннего
отражения 6В и апертурным углом падения луча 6Л имеется
взаимосвязь. Чем больше угол 6В, тем меньше апертурный
угол волокна 6Л.
Следует стремиться к тому, чтобы угол падения луча на
границу сердцевина—оболочка <рп был больше угла полного
внутреннего отражения 6В и находился в пределах от 6В до
90°, а угол ввода луча в торец световода <р укладывался
в апертурный угол 6Л (ср<0л).

2.2.	ВОЛНЫ И ЛУЧИ В СВЕТОВОДАХ

Как известно, свет имеет двойственную природу: волновую
и квантовую. Волновая теория света обосновывает, что все
(свойства света совпадают со свойствами электромагнитных
волн, и свет является* разновидностью электромагнитных
колебаний очень высоких частот (1014—1015 Гц) и очень
коротких волн (микроны).

По квантовой теории свет—это поток быстро движущихся
.мелких частиц (фотонов). Таким образом, теория света опира-
ется на его волновые и квантовые свойства. Излучение
характеризуется длиной волны X, частотой f.

Видимые лучи (В) располагаются между инфракрасными
;(ИК) и ультрафиолетовыми (УФ) лучами и занимают полоску
(приблизительно 0,4 —0,75 мкм, что соответствует диапазону
частот 4 • 1014—0,75 • 1015 Гц.

В табл. 2.2 приведены значения Хи/ для различных типов
лучей.

Обычный белый свет имеет сложную структуру и может
быть представлен в виде набора различных световых лучей.

На рис. 2.8 показаны интенсивность излучения Фе различных
•источников света и относительная спектральная световая
’эффективность. Из рисунка следует, что излучение обычной лампы
''Накаливания занимает довольно широкий спектр волн и имеет
максимум излучения при Х= 1 мкм. Солнечный спектр простирает-
ся в диапазоне длин волн от 0,3 до 1,5 мкм с максимальной
{интенсивностью при Х=0,4 мкм. Чувствительность нашего глаза
Соответствует видимому спектру волн (0,4—0,8 мкм).

Для связи по световодам используются видимые лучи
(X=0,4-н 0,75 мкм) и ближний диапазон инфракрасных лучей
(0,85—1,3— 1,55 до 4—6 мкм).

Характер распространения электромагнитных волн в НС,
структура поля и частотный диапазон систем зависят прежде
всего от класса волны, используемой для канализации энергии.
3 Заказ 2460	33
Рис. 2.8. Интенсивность излучения различных источников света:

1—люминесцентная лампа; 2—солнце; 3—лампа накаливания; 4—относительная спект-
ральная световая эффективность

*

Существуют волны следующих классов (рис. 2.9): Т—по-
перечная электромагнитная; Епт—электрическая волна;
Нпт—магнитная волна; НЕпт и ЕНпт—гибридные, смешанные
волны.

Наряду с делением на классы электромагнитные волны
делятся также по типам. Тип волны, или, по-другому, мода,
определяется сложностью структуры, т. е. числом максимумов
и минимумов поля в поперечном сечении. Мода обозначается
двумя числовыми индексами п и т. Индекс п означает,
например, в круглых волноводах число изменений поля по
периметру волновода, а индекс т — число изменений поля по
диаметру.

Волна Т содержит лишь поперечные составляющие поля
EL и //±; она существует в двухпроводных линиях передачи
(симметричных, коаксиальных, ленточных).

Электрические и магнитные' волны несимметричного типа
Епт, Нпт возбуждаются в металлических волноводах.

Ez£0	Hz^0	Ez^0

Hz=0	Ez=0	Hz?0

Рис. 2.9. Классы электромагнитных волн
Рис. 2.10. Структура поля гибридной
волны НЕ11

Рис. 2.11. Меридиональные (а) и ко-
сые (б) лучи в световоде

В волоконных световодах могут существовать два типа
волн: симметричные—ЕОт и НОт и несимметричные
гибридные—ЕНпт и НЕпт, где п—число изменений поля по
периметру, т — число изменений поля по диаметру.

Симметричные волны электрические ЕОт и магнитные
Нот имеют круговую симметрию (н = 0).

Раздельное распространение по световоду несимметричных
волн типа Епт и Нпт невозможно. Эти волны в световоде
существуют только совместно, т. е. имеются продольные
составляющие как Е, так и Н. Эти волны называются
гибридными, смешанными и обозначаются НЕпт, если поле
в поперечном сечении напоминает поле Н, или ЕНпт, если
это поле в поперечном сечении ближе к волнам Е.

Из всей номенклатуры смешанных волн в ОК наибольшее
применение получила волна типа НЕ1Г (или ЕН10), представ-
ленная на рис. 2.10. Здесь магнитные линии в горизонтальной
плоскости имеют такую же структуру, как и электрические
в вертикальной. На этой волне работают одномодовые све-
товоды, имеющие наибольшую пропускную способность.

Представляет интерес сопоставить указанную классификацию
электромагнитных волн с лучевой классификацией, т. е. связать
I волновую теорию с лучевой теорией геометрической оптики.

По волоконным световодам возможна передача двух видов
лучей: меридиональных и косых (рис. 2.11). Меридиональные
лучи расположены в плоскости, проходящей через ось волокон-
I ного световода. Косые лучи не пересекают ось световода
и проходят по сложным траекториям. Меридиональным лучам
соответствуют симметричные электрические Еот и магнитные
Нот волны, косым лучам—несимметричные гибридные волны
I НЕпт и ЕНпт.

Если точечный источник излучения расположен по оси
I световода, то имеются только меридиональные лучи и соот-
ветственно симметричные волны ЕОт, Нот. Если же точечный
I источник расположен вне оси световода или имеется сложный
источник, то появляются одновременно как меридиональные,
так и косые лучи и свойственные им симметричные и несим-
метричные гибридные волны.

Несимметричные волны типа Епт и Нпт в волоконных
световодах существовать не могут. Эти волны возбуждаются
в металлических волноводах.

2.3.	УРАВНЕНИЕ ПЕРЕДАЧИ ПО СВЕТОВОДАМ

Рассмотрим волоконный световод (ВС) без потерь двухслой-
ной конструкции, приведенный на рис. 2.12. Для описания
поведения электромагнитного поля в сердцевине (0<г<а)
и в оболочке (а<г<Ь) необходимо использовать различные
функции. Исходя из физической сущности процессов, функции
сердцевины при г = 0 должны быть конечными, а в оболочке

должны описывать спадающее поле.

Используем цилиндрическую систему координат, ось ко-
торой совместима с осью цилиндра. Поперечные составляющие
напряженности электрического и магнитного полей могут быть
выражены через продольные составляющие Ez и Hz. Для

сердцевины имеем следующую систему уравнений:

82EZ
dr2

1 8Е,	1 82Е,	7 Л

Р-+gi^z = 0;

Г ОГ Г О(р

а2яг 1 ж 1 d2Hz

-----Ч------Ч---------+
8г2 г 8г г2 8<р2

gfX^O.

(2.5)

Здесь gi=A?i —Р2—поперечная составляющая волнового числа
в сердцевине световода; Р— коэффициент распространения
в световоде; кг — волновое число сердцевины световода с ко-
эффициентом преломления пг;

X i ® \/ Р« 1 1 ® yj Ро^о х/ Рг 1 £»* 1 Mi 2лИ1 /X,

Рис. 2.12. К расчету волоконного
световода

Решение данных уравнений для
сердцевины следует выразить че-
рез цилиндрические функции пер-
вого рода—функции Бесселя, име-
ющие конечные значения при г=0.
Поэтому для г<а можно написать

£z=AJnUir)e-'"’e-₽z;

Hz=Bn3n

где А„ и Б„—постоянные интег-
рирования; п—порядок функции
Бесселя.

Для оболочки имеем анало-
гичную систему уравнений:
d2E,

dr2

1 dE, 1 d2E.	л

^-^+-2^+^^=°;

г dr г dtp

d2Hz 1 dHz 1 d2Hz
dr2 г dr + r2 dtp2

g2//z=o.

(2.6)

Здесь g2==p2 —к2, g2—поперечная составляющая волнового
числа в оболочке световода; Р— коэффициент распространения
.в световоде; к2— волновое число оболочки световода с ко-
эффициентом преломления п2, к2=коп2=(й ^/роеоиг = 2ли2/
( Для решения данных уравнений исходя из условия, что
‘при г—>со поле должно стремиться к нулю, следует для г>а
использовать цилиндрические функции третьего рода—функции
Г анкеля;

Ez = C„H<1)(jg2r)e-'"”e“Pz;

•	Hz = DnW^(jg2r)e^e-^, .

где D„ и С„—постоянные интегрирования; п—порядок функции
Ганкеля.

Поперечные составляющие электрических (Ег, Е^) и маг-
нитных (Нг, 77ф) полей могут быть выражены с помощью
известных соотношений между поперечными и продольными
(Ez, Hz) составляющими.

Постоянные интегрирования А„, В„, С„, D„ могут быть
определены на основании граничных условий. Используем
условие равенства тангенциальных составляющих напряжен-
ностей электрических и магнитных полей на поверхности
раздела сердцевина- оболочка (при г = а):

Ezl(a) = Ez2(a); Еф1 (а)=Еч2 (а);

Яг1 («)=Нг2 («); Яф1 («)=Яф2 («)•

Найдя постоянные интегрирования и поставив их в урав-
нения, после соответствующих преобразований получим сле-
дующее трансцендентное уравнение:

1Л.1 -K(gia)	(jg2a) "I

_giJn(gja) gzH'^jgza) J

Гm4iJ;,(gia) ./co2efl2H<,1)'(jg2a)-|_T 2p2 / 1	1 \	_

L giJ-(gia) g2HM(jg2a) J \gja gla)'

В результате получаем трансцендентное характеристическое
уравнение, позволяющее определить структуру поля, параметры
волн и характеристики волоконного световода. В общем случае
уравнение имеет ряд решений, каждому из которых соответ-
ствует определенная структура поля, называемая типом волны
или модой. Но это решение в общем виде весьма сложно,
громоздко. Оно связано с шестью составляющими векторных
полей (Ez, Ег, Еч и Hz, Нг, НД.

Полученное характеристическое уравнение может быть упро-
щено для различных частных случаев.

Для симметричных волн, у которых поле не зависит от
азимутального угла <р, т. е. т = 0, правая часть характеристичес-
кого уравнения (2.7) равна нулю и оно распадается на два
более простых уравнения:

1 Ji (gia) =______1	HV>(7g2g)

giflJo(gia) Jg2d (jg2a)
Hj Ji (gifl) = _ «2 H(11)(jg2t/)
giflJo(gia) Jgzd (Jg2a)

ДЛЯ	волн	Нот",	>	(2.8)
для	волн	Efim-  У		

можно получить

Для несимметричных дипольных волн
следующие приближенные уравнения:

1 J,.-i(gia)____l_ Н»1-! (jg2a)

gia J„(gi«) g2a H(»(jg2a)

для волн

1 Jn+i (gi«) =____1_ (jg2a)

gid J„(gia)	g2a H‘1)(jg2a)

для волн

EH„m.

(2.9)

Наибольший интерес представляет рассмотрение слабо на-
правляемых волн или волн линейной поляризации LP, которые
в основном используются в системах передачи информации
по световодам. Это относится к случаю, когда показатель
преломления п мало меняется в .поперечном сечении световода,
т. е. Пгкп2 и A=(hj — п2)/п1 ^0,01.

При этом по световоду распространяется практически
плоская электромагнитная волна Т с малым углом наклона
к оси. Это иллюстрирует рис. 2.13, на котором показано, как
с уменьшением угла наклона волны к оси световода 6 умень-
шается составляющая Ez.

При малых углах наклона волны к оси поперечная со-
ставляющая g мала и волновое число к соизмеримо с ко-
эффициентом распространения Р, т. е. кк$ (рис. 2.14). Тогда
продольные составляющие поля будут существенно меньше
поперечных, т. е. Ez<Ey и HZ<HL. Это позволяет оперировать
всего лишь четырьмя составляющими полей вместо шести,
которые необходимо учитывать при строгом решении. При
этом надлежит решать не сложную векторную задачу, а гораздо
более простую—скалярную.

Характеристическое уравнение для LP мод имеет весьма
простую форму:
Рис. 2.13. Уменьшение продольной составляющей Ez с уменьшением наклона
волны в световоде

b>+i(gifl)	&,+i(g2a)

gi	г i---Г"	(2.10)

•М#1а) K-Agia)

Здесь верхние знаки относятся к модам ЕН, а нижние—к
модам НЕ.

Для одномодовой системы, которая работает на гибридной
волне НЕ± j, получаем

Ji (gi«)^_ Ki (g2a)

S1 Jo(gia) S2E0(g2a)’

где ^(g2«) = H(jg2«)—модифицированная функция Ганкеля.

Сравнивая данные уравнения для линейно поляризованных
волн с ранее полученным характеристическим уравнением (2.7)
в общем виде, замечаем, что данное уравнение несравненно
проще. Оно позволяет элементарно определить структуру поля
и характеристики световода для различных типов волн (LPnm).

Из данного уравнения определяем значения и g2,
описывающие поперечное распределение поля; gt является
радиальным волновым числом в сердцевине и характеризует

Рис. 2.14. Составляющие волны в общем виде (а) и линейно поляризованной
волны (б)
процессы распространения волны в световоде, g2—радиальное
волновое число, характеризующее затухание в оболочке.

По значениям gt и g2 определяем важнейшую характеристи-
ку передачи по световодам—коэффициент распространения р.

2.4.	КОЭФФИЦИЕНТ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
ПО ВОЛОКОННОМУ СВЕТОВОДУ

Коэффициент распространения р определяется из выражений
gl=kj — р2—для сердцевины (при г<а) и gl = P2“^2—для обо-
лочки (при г>а) в виде соотношения /q>|3>/c2. Или, по-другому,
коп1 >р>&ой2, гДе к0=(й y/lioEo =2л/Х—волновое число.

Коэффициент распространения может быть рассчитан по
формуле ч

где и п2—показатели преломления сердцевины и оболочки;
f—расчетная частота; /0— критическая частота (2.12);
с0—скорбеть света; Р„т—корни функций Бесселя (см. табл. 2.3).

В предельных случаях при критической частоте и больших
расчетных частотах имеем

$=(дп2/с0=к0п2 при /=/0;

Р=(Вн1/со=А;ои1 при /->/.

На рис. 2.15 приведена частотная зависимость Р, а также
составляющих кг и к2. Все они имеют возрастающий характер.
Из рисунка видно, что Р меняется от значения к2 до значения
к±. В этом интервале и происходит передача энергии по ВС.
Первый предел Р=/с2 обусловлен частотой среза f0. В этом

Рис. 2.15. Частотная зависимость ко-
эффициента распространения:

1—волны НЕп; 2—волны других типов

случае энергия излучается
в окружающее пространство
и не передается по ВС. Все
волны, кроме НЕг1, имеют
частоту среза.

Второй предел $=kY обус-
ловлен областью существова-
ния продольных электромаг-
нитных волн (Е, Н), характер-
ных для передачи по ВС. При
появляются поперечные
электромагнитные волны Т, ко-
торые используются для переда-
чи по электрическим кабелям.

Обычно эти частотные за-
висимости представляются не-
Рис. 2.16. Дисперсионные характеристики

световода

некоторых мод волоконного

сколько в другом виде. По
ния р/Аго, а по оси



оси ординат откладываются значе-
абсцисс—нормированная частота

/ 2	2

Разделив соотношение к1>^>к2 на /с0-волновое число
вакуума, получим и1>р/А0>и2-

На рис. 2.16 приведены зависимости значений Р/Ао для
различных типов волн. Значение нормированной частоты
отсечки Уо может быть получено непосредственно из графика.
Оно соответствует точке пересечения каждой кривой с осью
V. В этом случае (Р//<0 = ,г2) поле излучается из световода
и процесс распространения по нему прекращается. Из графика
видно, что только одна мода НЕГ1 не имеет критической
частоты. Для нее нормированная частота находится в пределах
0<И<2,405. Остальные моды имеют частоты отсечки и рас-
пространяются лишь начиная с Ио.

Значения gr и g2 дают возможность получить обобщенный

параметр световодов—нормированную частоту, включающую
радиус сердцевины, длину волны и показатели преломления
сердцевины и оболочки. Суммируя аргументы функций Бесселя
(gjfl) и Ганкеля (g2o), получаем

А.

^/«1 —«2- (2.11)

2.5.	ТИПЫ ВОЛН В ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ

В общем случае в волоконном световоде могут существовать
три типа волн: направляемые, вытекающие и излучаемые. .
Действие и преобладание какого-либо типа волн связано
прежде всего с апертурой и соотношением углов падения
волны ф и полного внутреннего отражения 0В.

Направляемые волны (НВ) (волны сердцевины) — это ос-
новной тип волны, распространяющейся по световоду. Здесь
вся энергия сосредоточена внутри сердцевины световода и
обеспечивает передачу информации. Направляемые волны
возбуждаются при вводе лучей в торец световода под
углом, большим угла отражения (ф>0в),- т. е. в пределах
апертурного угла.

Излучаемые волны (ИВ) (пространственные волны) возника-
ют при вводе под углом, меньшим угла полного отражения
(ф<0в), т. е. вне апертуры. Здесь вся энергия уже вначале
линии излучается в окружающее пространство и не распрост-
раняется вдоль световода. Это связано с дополнительными
потерями энергии. Излучаемые волны и рассеяние также
возникают в местах нерегулярностей световодов.

Промежуточное положение занимают вытекающие волны
(ВВ) (волны оболочки). Здесь энергия частично распространя-
ется вдоль световода, а часть ее переходит в оболочку
и излучается в окружающее пространство. Вытекающие волны
образуются прежде всего за счет косых лучей и кривизны
поверхности раздела сердцевины и оболочки.
Излучаемые и вытекающие волны—это паразитные волны,
приводящие к рассеянию энергии и искажению из-за ин-
терференции передачи по световоду. Из-за этих волн, прежде
всего, возникают переходные влияния и помехи в соседних
световодах.

Типы волн (а) и их эпюры (б) приведены на рис. 2.17.

На рис. 2.18 показаны области существования различных
типов волн в зависимости от значения 0—коэффициента
распространения:

для НВ, распространяющихся внутри сердцевины,
к2<$2<к2;

для ВВ, распространяющихся как внутри сердцевины, так и
внутри оболочки, {к2 — т21 а2)<^>2 <к2\

для ИВ, распространяющихся в окружающем пространстве,
02<(А:2 —т2/а2), где т — азимутальное модовое число; а—
радиус световода; к1=коп1 и к2 = к0п2— волновые числа серд-
цевины и оболочки.

Для меридиональных волн, имеющих симметричное поле,
азимутальное модовое число т—0 и тогда получим: для НВ
к2<$2 <к2', для ИВ р2<^2-

2.6.	КРИТИЧЕСКИЕ ЧАСТОТЫ И ТИПЫ ВОЛН (МОДЫ) СВЕТОВОДОВ

В волоконных световодах при очень высоких частотах
почти вся энергия поля концентрируется внутри сердце-
вины световода, с уменьшением частоты происходит пере-
распределение поля и оно переходит в окружающее про-
странство. При определенной (критической) частоте f0, или
частоте отсечки, поле больше не распространяется вдоль
световода и вся энергия рассеивается в окружающем про-
странстве.

Воспользуемся ранее приведенными соотношениями аргу-
ментов цилиндрических функций g2 — k2 — 02 (при г<а);
g2 = 02 —к2 (при г>а). Имея в виду, что к1 = коп1 и к2 — к0п2,
получим gl+g2 = kj—k2, или g2+g2 = kl(n2 — n2), где
к0=2п/'к—2nfl с0 = го ^/цо^о-

Для определения критической частоты /0 нужно при-
нять g2 = 0 (при всех значениях g2>^ поле концентриру-
ется в сердцевине световода, а при g2 = 0 оно выходит из
сердцевины и процесс распространения по световоду пре-
кращается).

Это обусловлено тем, что при больших значениях g2 поле
направляемой моды в основном сосредоточено в сердцевине
и в непосредственной близости от нее. С уменьшением g2 поле
все больше перераспределяется в оболочку, однако переноса
энергии в радиальном направлении нет. Наконец, при g2 = О
(критический режим) происходит качественное изменение ха-
рактера волнового процесса—появляется поток энергии в
радиальном направлении и прекращается распространение
энергии вдоль световода. Тогда g? = fco(«?—«г)- Подставив
значение k0 = 2nflc0, определим критическую частоту
/о световода:

/o=giCo/(2n Jnl-nl).

Умножим числитель и знаменатель на параметр а (радиус
сердцевины), тогда

./о =giGCo/ (л4? х/иг-Яг)-	(2.12)

Соответственно критическая длина волны

^о=7=—(2.13)
/о gia«i

где gxa = Pnm—корни бесселевых функций для различных
типов волн.

Анализируя полученные соотношения, можно отметить,
что чем толще сердцевина световода и чем больше от-
личаются щ и н2, тем больше критическая длина волны
и соответственно ниже критическая частота волоконного
световода. Из формул видно, что при равенстве оптических
характеристик, прежде всего диэлектрической проницаемости
сердцевины и оболочки, т. е. при п1—п2, критическая длина
волны (длина волны отсечки) Хо = 0, а критическая частота
/о = со и передача по такому световоду невозможна. Это
имеет свое логическое обоснование, так как при отсутствии
границы оптических отражений световод перестает действо-

Рис. 2.19. Частотная зависи-
мость затухания электрических
ЭК и оптических ОК кабелей

вать как НС передачи.

На рис. 2.19 дан сравнительный
график частотной зависимости за-
тухания электрических и оптических
кабелей. Первые не имеют частоты
отсечки, а вторые как фильтры
передают энергию начиная лишь
с критической частоты /0.

Для определения критических
частот различных типов волн рас-
смотрим корни ранее полученного
выражения бесселевых функций
Jo (gra)—для симметричных волн
и J„(gra)—для несимметричных ги-
бридных волн (табл. 2.3). Эти вы-
ражения дают бесконечное число
корней.
Таблица 2.3. Значения корней бесселевых функций

п	т			Тип волны
	1	2	3	
0	2,405	5,520	8,654	•^От» Н()т
1	0,000	3,832	7,016	НЕ1т
1	3,832	7,016	10,173	ЕН1т
2	2,405	5,538	8,665	НЕ2т
2	5,136	8,417	11,620	ЕН2т

Из данных, приведенных в таблице, видно, что только
одна волна—гибридная НЕГ1—имеет нулевое значение корня
и, следовательно, она распространяется во всем диапазоне
частот, начиная от нуля. Всем остальным волнам свойственны
критические частоты отсечки /о, причем чем больше индексы
п и т, тем выше критическая частота.

2.7.	ОДНОМОДОВАЯ ПЕРЕДАЧА ПО СВЕТОВОДАМ

По режиму использования волоконные световоды делятся
на одномодовые и многомодовые. Число мод зависит от
соотношения диаметра сердцевины световода d и длины волны
А.. С увеличением d число передаваемых мод резко возрастает.
Для обеспечения одномодового режима передачи необходимо
иметь очень малый диаметр сердцевины световода, соиз-
меримый с длиной волны (d^k).

Из рис. 2.20, а видно, что при dxk в поперечном сечении
сердцевины световода укладывается только одна волна, что
соответствует одномодовой передаче 7V=1. На рис. 2.20,6
показана многомодовая передача с большим числом волн.

Передача	Луча	Волны прием

Рис. 2.20. Физическое представление мод:
а—одномодовая передача (t/ягХ); б—многомодовая передача (</>Х)
Здесь d>~k, и в сердцевине световода укладывается несколько
волн (7V = 3).

Достоинствами одномрдовых систем являются малая дис-
персия (искажения сигналов), большая информационно-пропуск-
ная способность и большая дальность передачи. Одномодовые
системы являются наиболее перспективным направлением раз-
вития техники передачи информации.

Как видно из рис. 2.20, б, при многомодовой передаче
из-за дисперсии импульс на приеме уширяется и искажается.
Это обусловлено тем, что различные моды (лучи) идут
в световодах под разными углами, проходят различный путь
и к концу линии приходят в различные отрезки времени.
Дисперсия в многомодовых световодах существенно ограничи-
вает полосу передаваемых частот и дальность передачи.

При одномодовой передаче распространяется лишь один
луч и нет модовых искажений. Поэтому одномодовые свето-
воды позволяют передавать большой объем информации на
дальние расстояния.

В настоящее время у нас и за рубежом принят как
основной, одномодовый режим передачи по световодам. В этом
случае, например, на длине волны 1,55 мкм обесточивается
работа систем ИКМ-1920 и даже ИКМ-7680 с длиной реге-
нерационного участка 70 км и более.

Одномодовая передача реализуется на гибридной волне
НЕц. Как видно из таблицы, только эта волна имеет нулевое
значение gta (при п=\ и т=1); следовательно, она не имеет
критической частоты и может распространяться при любой
частоте. Все другие волны имеют конечное значение gta,
и они не распространяются на частотах ниже критической.
Интервал значений gxa, при которых распространяется лишь
один тип волн НЕГ1, находится в пределах 0<gta<2,405.
Поэтому при выборе частоты передачи или диаметра серд-
цевины световода исходят из этого условия.

Подставляя в ранее приведенную формулу критической
частоты значение gra = 2,405, получаем

_ 2,405со
'°-----------2*

nd y/ni-ni

Диаметр сердцевины световода для одномодовой передачи

,	2,4057.о

d=--- - _

я у/1-(п2/п1)2

Число типов волн (мод) в световоде N зависит от диаметра
сердцевины 2а и длины волны А.:
V2
N=---------

2(l+2/w)’

где И=(2ла/А.) -Jn\~n2—нормированная частота; и—показа-
тель степени изменения профиля показателя преломления.

Тогда для ступенчатого волокна (м=оо)

х v 1	2 у

Для градиентного волокна (w = 2)

______\ 2

— V«l-«2 I 

X v	2 J

Из формул видно, что чем больше диаметр сердцевины
волокна и меньше длина волны, тем больше возникает мод.
Причем в градиентном световоде число мод в 2 раза меньше,
чем в ступенчатом.

Применяемые в настоящее время ВС с диаметром сердцевины
50 мкм являются многомодовыми. Для получения одномодо-
вого режима необходимо диаметр сердцевины существенно
уменьшить (до 8—10 мкм).

Из ранее выведенной формулы для одномодовых световодов
/ TZ 2тсд / о 7 АГЛ/~ 1

I и = —— л? 1 —тз 2 < 2,405 1 видно, что чем меньше разность
\ Л	/

Дн = и1-и2, тем больше радиус а. Так, если Hr = l,46, то при
Ли = 0,01 радиус о <2,24 А., а при Ди = 0,003 а <4,09 А., т. е.
в последнем случае одномодовая передача реализуется при
d= 8,2А.. Дальнейшее уменьшение Ди трудно осуществить.

Применение одномодовых волокон с малым диаметром
сердцевины сопряжено с трудностями при изготовлении ВС
с требуемыми допусками, а также при сращивании и при
вводе сигнала в ВС.

Установлено, что эти трудности можно преодолеть при
применении многослойных световодов (3—4 слоя), а также
благодаря треугольному профилю показателя преломления
сердцевины (рис. 2.21, д) и профиля типа W (рис. 2.21, г). При

Рис. 2.21. Профили показателей преломления различных световодов:
а — ступенчатый; б—градиентный; в- -одномодовый; г—типа W; д—треугольный
треугольном профиле сохраняется одномодовый режим при
диаметре сердцевины 20—30 мкм (вместо 6—10 мкм для
ступенчатого профиля).

2.8.	ЗАТУХАНИЕ

Оптические кабели характеризуются двумя важнейшими
параметрами—затуханием и дисперсией. Затухание определяет
длину регенерационных участков (расстояние между генерато-
рами).

Затухание световодных трактов ОК а обусловлено соб-
ственными потерями в ВС ас и дополнительными потерями,
так называемыми кабельными, оск, обусловленными скруткой,
а также реформацией и изгибами световодов при наложении
покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления ОК,
а = ас + ак. Собственные потери ВС состоят из потерь поглоще-
ния осп и потерь рассеяния ар.

Механизм потерь, возникающих при распространении по
ВС электромагнитной энергии, иллюстрируется рис. 2.22.
Часть Мощности,. поступающей на вход световода Рвх,
рассеивается из-за изменения направления распространяемых
лучей на нерегулярностях и их высвечивания в окружающее
пространство (ар), другая часть мощности поглощается
посторонними примесями и выделяется в виде джоулева
тепла (ал + апр). В результате мощность на выходе Рвых умень-
шается.

Потери на поглощение существенно зависят от чистоты
материала и при наличии посторонних примесей могут быть
значительными. Потери на рассеяние лимитируют предел
минимально допустимых потерь в ВС.

Таким- образом, а = ап + ар4-апр + ак.

В табл. 2.4 приведены значения коэффициента затухания
различных кварцевых стекол, здесь же приведены длины
регенерационных участков исходя из энергетического потенци-
ала аппаратуры яэ = 30дБ. Тогда /р = 30/а, км.

txn

Рис. 2.22. Механизм потерь в световодах: оср—рассеяние на нерегулярностях;
ап—поглощение из-за примесей
Таблица 2.4

Стекло	а, дБ/км	/ , км р
Оконное стекло	3000	0,01
Стекло для фото, кино	300	0,1
Стекло марки CG (США) выпуска: 1970 г.	20	1 5
1980 г.	3	10
1990 г.	0,3-0,5	60 100

Из таблицы видно, что обычное стекло из-за примесей
имеет очень большое затухание, поэтому необходима установка
регенераторов через каждые 10 м. Начиная с 1970 г. качество
стекла постоянно улучшается, и в настоящее время длина
участка доведена до 60 км. Известны стекла с затуханием
0,1—0,2 дБ/км, обеспечивающие длины участков свыше 100 км.

Затухание за счет поглощения (ап) связано с потерями на
диэлектрическую поляризацию, оно линейно растет с частотой
и существенно зависит от свойств материала световода (tg5).

Потери обусловлены комплексным характером показателя
преломления n = n„+jnM, который связан с tg5 выражением
tg5 = 2nflA2M/(w£—

Затухание на поглощение определяется отношением потерь
в световоде (Рп) к удвоенному значению всей мощности Р,
передаваемой по световоду:

1,
a—-In

2

(2.14)

где P=U2IZ* и Pn = GU2. Тогда = 1 /2GZ„ где G = (0£дtg8-
проводимость материала световода; ZB = x/jj.a/ea— волновое
сопротивление; с— 1 j у/цаьа—скорость распространения энергии
по световоду. Используя условие c=cOl'n и c0=fk, находим
формулу расчета потерь на поглощение, дБ:

czn=^tg8-103-8,68,

(2.15)

где n — y/iir£r—показатель преломления;

X—длина волны;

tg8—тангенс угла диэлектрических потерь в световоде.

Выражая tg8 через комплексный показатель преломления,
получаем

ап=“-^-103-8,68.

С(»д-Пм)

4 Заказ 2460
Рис. 2.23. Частотная зависимость затуха-
ния поглощения ап и затухания рассеяния
«р

Если коэффициент преломления имеет действительное значение
п=п , то Jg5 = O и потери на поглощение отсутствуют.

Из формулы видно, что частотная зависимость затухания
поглощения имеет линейный характер.

Рассеяние обусловлено неоднородностями материала ВС,
размеры которых меньше длины волны, и тепловой флукту-
ацией показателя преломления.

Потери» на рассеяние (дБ/км), называемое рэлеевским,
определяются формулой

ap=^p/V,	(2.16)

где Кр—коэффициент рассеяния, равный 0,8 мкм4-дБ/км для
кварца.

Потери на рэлеевское рассеяние определяют нижний предел
потерь, присущих ВС. Этот предел различен для разных волн
и с увеличением длины волны уменьшается.

На рис. 2.23 представлены частотные зависимости коэф-
фициента затухания ВС. Из рисунка видно, что потери на
поглощение растут линейно с увеличением частоты, а потери
на рассеяние существенно быстрей—по закону /'4.

Потери энергии существенно возрастают из-за наличия
в материале ВС посторонних примесей, таких, как гидроксиль-
ные группы (ОН), ионы металлов (железа, кобальта, никеля,
меди) и другие включения.

Присутствующие в стекле ионы металлов имеют элект-
ронные переходы в области длин волн 0,5—1 мкм и вызывают
соответствующие полосы поглощения. За счет ионов гидро-
ксильных групп проявляются поглощения на длинах волн
0,95; 1,24 и 1,39 мкм. Максимум поглощения—на волне
2,7 мкм. Наличие этих примесей приводит к возрастанию
потерь в волокне и появлению резонансных всплесков затуха-
ния. Длина волны пика поглощения и ширина полосы зависят
от элемента примеси и состава стекла.

Для получения малых потерь и затухания необходимо
добиваться высокой частоты исходного материала—стекла.
Рис. 2.24. Составляющие потерь энергии в световоде

При X > 2 мкм начинают проявляться потери на поглощение
передаваемой мощности. Это явление проявляется с ростом
длины волны и углублением в инфракрасную область спектра.
Эти потери аик, дБ/км, пропорциональны показательной
функции и уменьшаются с ростом частоты по закону

v.„.K = Cekl\	(2.17)

где С и к постоянные коэффициенты. Для кварца к =
=(0,5-1)• Ю'6 м.

На рис. 2.24 приведены типовые зависимости всех состав-
ляющих потерь от длины волны.

Кроме собственных потерь ас надлежит учитывать также
дополнительные кабельные потери ак, которые существенно
зависят от принятой технологии производства, конструкции
кабеля и качества изготовления. На кабельные потери влияют
макро- и микроизгибы оптических волокон, дефекты скрутки
и другие нарушения их прямолинейности, потери во внешних
оболочках и покрытия кабеля, термомеханические воздействия
на волокно в процессе изготовления кабеля.

Указанные дополнительные потери определяются в основ-
ном процессами рассеяния энергии на неоднородностях и ча-
стично увеличением потерь на поглощение. Скрутка, изгибы
приводят к излучению энергии в местах изгибов и соответ-
ственно к возрастанию потерь.

Установлено, что все эти кабельные потери приводят
к увеличению затухания. Так, если собственное затухание
световода ас составляет 1 дБ/км, то за счет дополнительных
кабельных потерь оно может возрасти до 2 дБ/км и более.

На рис. 2.25 показано изменение затухания ВС в зависи-
мости от длины волны для кварцевого стекла, очищенного
067дБ/км

Рис. 2.25. Затухание ВС при
различных длинах волн

от посторонних примесей. На графике четко видны три «окна»
прозрачности световода. Причем с увеличением длины волны
затухание снижается и соответственно увеличивается длина
регенерацирнного участка:

X, мкм

0,85
1,3
1,55

а, дБ/км

2—3
0,7—1,0
0,3—0,5

7р, км

10 -15

30—40

60—100

Отсюда видна явная целесообразность работы ОК на длине
волны 1,3 и 1,55 мкм.

Интересно сопоставить частотные зависимости затухания
оптических и электрических кабелей (рис. 2.26). Коэффициент
затухания электрических кабелей (коаксиальных и симметрич-

Рис. 2.26. Частотная
зависимость затуха-
ния оптических (7—3)
и электрических (4)
кабелей:

1—ОК ступенчатые; 2—
ОК градиентные; 3—ОК
одномодовые
ных) закономерно растет с частотой по закону (кривая
4). В ОК в весьма широкой полосе частот затухание стабильно.
Поэтому можно наращивать каналы и применять более
мощные системы передачи без установки дополнительных
усилительных пунктов.

2.9.	ДИСПЕРСИЯ

Наряду с затуханием а важнейшим параметром волоконно-
оптических систем передачи является пропускная способность AF.
Она определяет полосу частот, пропускаемую световодом, и соот-
ветственно объем информации, который можно передавать по ОК.

В идеализированном варианте по ВС возможна организация
огромного числа каналов на большие расстояния, а фактически
имеются значительные ограничения. Это обусловлено тем, что
сигнал на входе приемного устройства приходит размытым,
искаженным и чем длинней линия, тем больше искажается
передаваемый сигнал (рис. 2.27). Данное явление носит название
дисперсии, и обусловлено оно различием времени распрост-
ранения различных мод в световоде и наличием частотной
зависимости показателя преломления.

Дисперсия—это рассеяние во времени спектральных или
модовых составляющих оптического сигнала. Дисперсия при-
водит к увеличению длительности импульса при прохождении
по ОК. Уширение импульса т определяется как квадратичная
разность длительности импульса на выходе и входе кабеля
по формуле T=x/zBbIX —7ВХ, причем значения /вых и /вх берутся
на уровне половины амплитуды импульсов.

Связь между уширением импульсов и полосой частот, пере-
даваемых по волоконному световоду, приближенно выражается
соотношением AF=1/t. Так, если т = 20 нс/км, то AF=50 МГц.

Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон
использования световодов. Она существенно снижает дальность
передачи по ОК, так как чем длиннее линия, тем больше
проявляется дисперсия и больше уширение импульса.

Рис. 2.27. Уширение импульсов из-за дисперсии:
а—передача; (7- прием
Пропускная способность ОК существенно зависит от типа,
ВС (одномодовые, многомодовые, градиентные), а также от
типа излучателя (лазер, световод).

Дисперсия возникает по двум причинам:

некогерентность источников излучения и появление спектра
ДА,;

существование большого количества мод N.

Дисперсия, вызванная первой причиной, называется хро-
матической (частотной). Она, в свою очередь, делится на
материальную дисперсию и волноводную (внутримодовую).

Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри
моды. Она характеризуется зависимостью коэффициента рас-
пространения моды от длины волны: у = ф1(Х). Материальная
дисперсия* обусловлена зависимостью показателя преломления
от длины волны: л = ф2(?Д

Модовая дисперсия обусловлена наличием большого ко-
личества мод, время распространения которых различно:
/=ф3(Л).

В геометрической интерпретации соответствующие модам
лучи иду-j под разными углами, проходят различный путь
в сердцевине волокна и, следовательно, поступают на выход
с различной задержкой.

Дисперсионные свойства тракта передачи зависят также от
источника излучения. При лазерных источниках благодаря
узкой полосе излучаемых частот дисперсия сказывается мало.
В некогерентных передатчиках—излучающих светодиодах по-
лоса излучения существенно шире и дисперсия проявится
довольно значительно. Так, основной параметр, который
характеризует уширение импульса ДА,/А, для лазеров составляет
0,001 нс/км, а для излучающих светодиодов—0,1 нс/км, т. е.
на два порядка больше.

Результирующее значение уширения импульсов из-за мо-
довой тмод, материальной тмат и волноводной твв дисперсий
определяется формулой

1 = /j2 +(т	+ Т V

С учетом реального соотношения вкладов отдельных видов
дисперсий имеем для многомодовых волокон уширение им-
пульсов т = тмод, а для одномодовых волокон т = тмат + твв.

Уширение импульса т при распространении по ВС волны
длиной А, с учетом источников излучения может быть опре-
делено по формулам:

из-за материальной дисперсии

ДА A2 d2n
т — ——---------/*

смат a	21’

Л С ок

(2.18)

из-за волноводной дисперсии
где АХ—ширина спектральной линии источника излучения,
равная 1 —3 нм для лазера и 20—40 нм для светоизлучающего
диода; =	— пг и и2—показатели преломления серд-

цевины и оболочки; I—длина линии; с—скорость света.

Для расчета материальной и волноводной дисперсий можно
пользоваться также упрощенными формулами и эксперимен-
тальными данными:

тмат = АШ/(Х);
твв=ДМВ(Ц
где -7И(Х) и В (X)—удельные материальная и волноводная
дисперсии, пс/(км • нм).

Как видно из рис. 2.28, с увеличением длины волны
материальная дисперсия уменьшается и проходит через нуль,
а волноводная—несколько растет. Причем вблизи Х=1,3
происходит их взаимная компенсация и результирующая дис-
персия приближается к нулевому значению. Этот эффект
широко используется в системах передачи по одномодовым
волокнам.

Уширение импульса из-за модовой дисперсии, характеризу-
емое временем нарастания сигнала и определяемое как разность
между самым большим и самым малым временем прихода
в сечение световода на расстоянии I от начала может быть
рассчитано по формулам

тМод = АИ1//с0—Для ступенчатого световода;

тмод = А2л1//2с0—для градиентного световода,

(2.20)

Рис. 2.28. Удельные значения дисперсии при различных длинах волн: Д(>.)—
волноводная; М (7.) — материальная
где △ = («!— n^lni, —показа-
тель преломления сердцевины;
и2—показатель преломления
оболочки; /—длина световода;
с0—скорость света.

Соответственно пропускная
способность градиентного свето-
вода в 2/Д раз выше, чем у сту-
пенчатого при одинаковом значе-
нии А. А так как обычно Д»1%,
пропускные способности указан-

ных световодов могут отличать-
Рис. 2.29. Длина взаимодействия ся на два порядка.

9 мод	При определении модовой ди-

сперсии следует иметь в виду, что до определенной длины
линии /с нет межмодовой связи, а затем при />/с происходит
процесс взаимного преобразования мод и наступает установив-
шийся режим. Поэтому, как видно из рис. 2.29, вначале, при
/</с, дисперсия увеличивается по линейному закону, а затем,
при />/с,-»-по квадратичному закону. Следовательно, выше-
приведенные формулы расчета модовой дисперсии справедливы
лишь для длины линии /</с.

При длинах линии />/с следует пользоваться следующими
формулами:

A«i /тг

тмод =—V И с—для ступенчатого световода;

Сп

л°	(2,21)

/7Г

тмод =---\/Нс—Для градиентного световода,

2с0

где I—длина линии; /с—длина связи мод (установившегося
режима). Значение /с равно 5—7 км Для ступенчатого волокна
и 10—15 км—для градиентного.

В табл. 2.5 приведены дисперсионные свойства различных
типов ВС.

Из таблицы видно, что в ступенчатых световодах при много-
модовой передаче доминирует модовая дисперсия и она достига-
ет больших значений (20—50 нс/км). В одномодовых ступенча-
тых световодах отсутствует модовая дисперсия, и дисперсия в це-
лом сказывается существенно меньше. Здесь проявляются вол-
новодная и материальная дисперсии, и при длине волны порядка
1,3 мкм происходит их взаимная компенсация (тмат»твв) и ре-
зультирующая дисперсия (трд=тмат+твв) минимальна.

Однако с учетом затухания предпочтительней длина волны
1,55 мкм, и для достижения минимума дисперсии в этом
случае приходится варьировать профилем показателя прелом-
ления и диаметром сердцевины волокна. При сложном профиле
Таблица 2.5. Дисперсионные свойства различных световодов

Вид дисперсии	Причина дисперсии	Многомодовые ОВ		Одномодовые ОВ (AF=l = 10 ГГц)	
		Ступенчатое ' (AF=  = 10ч-Ю0 МГц)	Градиентное (AF=100= 4-1000 МГц)		
Волноводная	Коэффициент распростране- ния зависит от частоты	Малое значе- ние дисперсии	Малое значе- ние дисперсии		Взаимная лкомпенса-
Материальная	Показатель преломления зависит	от  частоты	2—5 нс/км	0,1—0,3 нс/км		ция
Межмодовая	Разные  моды прихо- дят к концу линии в раз- ное время	20—50 нс/км	1 —4 нс/км	Отсутствует	

можно и на длине волны 1,55 мкм получить минимум
дисперсионных искажений. Из рис. 2.30 видно, что, варьируя
диаметром сердцевины, можно сдвинуть дисперсионный

Рис. 2.30. Зависимость дисперсии от длины волны и диаметра сердцевины
одномодовых световодов:

а—материальная и волноводная (1--4); 1—2и=3,5 мкм; 2—2а=4 мкм; 3—2а=5 мкм;
4—2а =10 мкм; б—результирующая	1
Рис. 2.31. Зависимость пропускной
способности AF (7) и дальности пере-
дачи 7 (2) от дисперсии

минимум в сторону более длинных волн. Но это достигается
при малых диаметрах сердцевины волокна. При профиле
показателя преломления типа W (см. рис. 2.21), а также
при треугольном и трехслойном волокнах можно получить
оптимальное значение дисперсии и затухания на длине
волны 1,55 мкм и при больших диаметрах сердцевины волокна.

В градиентных световодах происходит выравнивание времени
распространения различных мод и определяющей является
дисперсия материала, которая уменьшается с увеличением длины
волны. Значение дисперсии колеблется в пределах 1—4 нс/км.

Сравнивая дисперсионные характеристики различных све-
товодов, можно отметить, что лучшими данными обладают
одномодовые световоды. Также хорошие данные у градиентных
световодов с плавным изменением показателя преломления.
Наиболее резко дисперсия проявляется у ступенчатых много-
модовых световодов.

Таким образом, дисперсия приводит как к ограничению
пропускной способности ОК, так и к снижению дальности
передачи по ним (рис. 2.31).

2.10.	ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ И ДАЛЬНОСТЬ ПЕРЕДАЧИ
ПО ОПТИЧЕСКИМ КАБЕЛЯМ

В электрических кабелях с медными проводниками (сим-
метричных и коаксиальных) полоса пропускания и дальность
связи в основном лимитируются затуханием и помехозащищен-
ностью цепей. Как видно из рис. 2.19 и 2.32, с увеличением
частоты затухание растет по закону y/f и снижается поме-
хозащищенность цепей, причем чем длинней линия, тем сильней
сказываются эти эффекты. Наступает такой предел по частоте
и длине линии, когда нецелесообразно и в ряде случаев
невозможно их увеличить.

Оптические кабели принципиально не подвержены элект-
ромагнитным воздействиям и обладают высокой помехоза-
щищенностью. Поэтому параметр помехозащищенности не
Рис. 2.32. Помехозащищенность элек-
трических кабелей при различных дли-
нах линии

Рис. 2.33. Дисперсия т и пропускная
способность AF ОК разной длины

является ограничивающим фактором. В ОК полоса пропускания
и дальность связи лимитируются затуханием и дисперсией.

Как видно из рис. 2.19, затухание ОК имеет весьма
стабильное значение в широкой полосе частот и лишь на
очень -высоких частотах из-за дисперсии возрастает. Дисперсия
и определяет ширину полосы пропускаемых частот, причем,
как видно из рисунка, полоса пропускания градиентных
световодов больше, чем полоса пропускания ступенчатых.

На рис. 2.33 показан характер изменения дисперсии т и про-
пускной способности AF ОК от длины линии. Снижение из-за
дисперсии величины AF до допустимого значения лимитирует
дальность передачи по ОК.

Полоса частот AF и дальность передачи I взаимосвязаны..
Соотношение между ними выражается формулами AFXI&F=lflx
(для коротких линий в пределах устанавливающего режима)
и AFX/ AF= л//2 / lxlc (для длинных линий), где значения с индексом
х—искомые, а без индекса—заданные; /с—длина связи мод
(5—7 км для ступенчатого волокна и 10—15 км для градиентного).

В реальных условиях обычно нормируется полоса пропуска-
ния на один километр AF и определяется полоса пропускания
на всю линию по формулам

AFX = AF//X для коротких линий;

AF^AF/^/zX для длинных линий.

Полоса пропускания AF зависит от уширения импульсов
т и определяется соотношением AF=1/t.

При определении дальности связи по кабельным линиям
необходимо учитывать специфику различных систем передачи.
В аналоговых системах передачи (АСП) происходит накопление
помех по длине линии и надо учитывать всю дальность
59

(2.22)
Рис. 2.34. К выбору длины реге-
нерационного участка ОК

связи. В' цифровых системах передачи (ЦСП) в каждом
регенерационном пункте снимаются помехи, восстанавливается
сигнал, и он без помех направляется дальше. Таким образом,
в ЦСП качество связи определяется соотношением сигнал/шум
одного регенерационного участка.

Определим длину регенерационного участка ВОЛС. Длина
регенерационного участка выбирается по наименьшему значению
1а или 1&F, но так, чтобы выполнялись требования по затуханию
сигнала (а/) и полосе пропускания AF. Как видно из рис. 2.34,
с увеличением длины линии возрастает затухание цепи (а/),
которое не должно превышать энергетический потенциал системы
(адоп), обычно составляющий 35—40 дБ. Одновременно с увеличе-
нием длины линии уменьшается пропускная способность светово-
да AF. Здесь границей является требуемая полоса частот для
используемой системы AFX(on. Так, для систем передачи ИКМ-480
АТДОП = 34 Мбит/с. Расчеты показывают, что по затуханию длина
участка составляет 18 км, а по пропускной способности 14 км.
Принимаем регенерационный участок по наименьшему значению,
в данном случае по пропускной способности /дг=14км.

В целом ограничивающим фактором может быть как
дисперсия, так и затухание. Применительно к передаточным
характеристикам существующих ОК в многомодовых свето-
водах длина регенерационного участка, т. е. дальность связи,
лимитируется дисперсией и соответственно полосой пропуска-
ния, а в одномодовых световодах, обладающих хорошими
дисперсионными характеристиками, длина участка и дальность
связи определяются затуханием световодного тракта.

В существующих системах цифровой передачи по ОК при
Х = 0,85 мкм длина регенерационного участка равна 10—20 км,
а в перспективных системах на длинах волн 1,3 или 1,55 мкм
достигает 50—100 км. .

На рис. 2.35 приведены примерные значения длин регене-
рационных участков при различных системах передачи. При-
Рис. 2.35. Расстояния между регенераторами Zp при разных системах передачи
и различных волокнах:

1—ступенчатое; 2—градиентное; 3—одномодовое

нципиально для ОК можно получить довольно большие
длины регенерационных участков (порядка 80—100 км), но
дисперсия резко ограничивает эти возможности. Особенно это
проявляется в многомодовых волокнах. Здесь для системы
ИКМ-120 длина участков составляет 12 км. У градиентных
волокон дисперсионные искажения меньше, и поэтому можно
для системы ИКМ-480 применять /р = 30 км. Наилучшие резуль-
таты дают одномодовые волокна, у которых /р = 70 4-100 км
для системы ИКМ-1920. Приведенные данные получены для
существующих кварцевых волокон и оптоэлектронной ап-
паратуры.

Результаты расчета /р для различных систем передачи по
многомодовому ступенчатому волокну приведены в табл. 2.6.
Из таблицы видно, что при малых скоростях передачи
информации (AF=2 Мбит/с) значение /р лимитируется затуха-
нием световодов, а при средних (AF= 8,5 Мбит/с) и больших—
дисперсией. При AF= 34 Мбит/с практически исключается воз-
можность использования ступенчатых световодов. Для этих
систем необходимо применять градиентные, а лучше одно-
модовые световоды, имеющие малую дисперсию.

Таблица 2.6

Параметр	/р при скорости передачи, Мбит/с		
	2	8,5	34
Затухание	19	16	14
Дисперсия	23	7	2
2.11.	СПЕКТРАЛЬНОЕ УПЛОТНЕНИЕ
ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ

Весьма перспективным является спектральное уплотнение—
мультиплексирование, при котором в ВС вводится одновремен-
но излучение от нескольких источников, работающих на разных
длинах волн, а на приемном конце с помощью оптических
фильтров происходит разделение сигналов. Спектральное уп-
лотнение позволяет существенно увеличить пропускную способ-
ность ОК и организовать двухсторонюю многоканальную
связь по одному волокну.

Возможность построения таких многоствольных систем
основывается на сравнительно слабой зависимости коэффици-
ента затухания ОК в пределах используемого спектрального
диапазона’’от частоты (или длины волн) оптической несущей.
Поэтому по одному волоконному световоду подобно много-
ствольным радиорелейным системам передачи можно ор-
ганизовать несколько широкополосных оптических стволов,
увеличив тем самым результирующую скорость передачи
информации. Это позволяет обойти ограничение на скорость
передачи по одному волоконному световоду, связанное с дис-
персионными искажениями.

На рис. 2.36 показана принципиальная схема системы
передачи со спектральным разделением оптических каналов.
На передающей стороне системы имеется п оптических пере-
датчиков (ОП), излучающих оптические несущие с длинами
волн Х2, ..., Хп- С помощью устройства объединения—муль-
типлексора М осуществляется ввод различных оптических
несущих в один ВС ОП. На приемной стороне в устройстве
разделения—демультиплексоре ДМ оптические несущие раз-
деляются в пространстве и поступают на фотоприемник ФД.
Таким образом, по одному световоду организуется п спект-
рально разделенных оптических стволов.

Для объединения и разделения оптических несущих можно
использовать различные оптические спектральные устройства,
работа которых основана на известных явлениях физической
оптики—дисперсии, дифракции, интерференции. В качестве
примера на рис. 2.37 показана схема призматического устрой-
ства, с помощью которого можно осуществлять как объедине-

Рис. 2.36. Принципиальная схема спектрального уплотнения
Рис. 2.37. Призматическое устройство разделения оптических несущих:
1 — призма; 2—линза

ние, так и разделение оптических несущих. Основным элемен-
том такого устройства является оптическая призма, в которой
за счет дисперсии, т. е. зависимости показателя преломления
от длины волны оптического излучения, происходит простран-
ственное разделение (или объединение для обратного направ-
ления) оптических несущих. Для примера здесь показано два
оптических ствола с несущими X] и Х2- Так как излучение
разных длин волн отклоняется призмой на разные углы, то
из призмы выходят параллельные пучки разного направления
(пунктирные линии) и они поступают в волоконные световоды
ВС\ и ВС2. На концах световодов BCt и ВС2 располагаются
фотоприемники при работе устойства в режиме разделения
или оптические передатчики при объединении несущих с дли-
нами волн и Х.2.

Призматические устройства объединения и разделения оп-
тических несущих обладают рядом недостатков, из которых
следует указать большие габаритные размеры, значительные
вносимые потери и высокую стоимость. Для создания систем
передачи со спектральным разделением оптических стволов
более подходят устройства, работающие на основе явлений
дифракций и интерференций. К ним относятся дифракционные
решетки, светофильтры и др.

В дифракционных решетках (рис. 2.38) различные оптические
волны отклоняются на разные углы и таким образом осущест-
вляется разъединение или объединение несущих.

Широкое применение получили оптические фильтры. Дей-
ствие их основано на дисперсионных свойствах кварцевого
стекла, т. е. зависимости показателя преломления от длины
волны и = ф(Х). При прохождении различных волн через
световод с меняющимся значением п они отражаются под
различными углами (рх = ф(л).

Известно несколько модификаций оптических фильтров.
Волоконный фильтр представляет собой отрезок световода,
параметры сердцевины или оболочки которого (показатель
преломления, диаметр) периодически модулированы вдоль оси
световода. Такие световоды обладают резко выраженными
селективными свойствами: одни волны испытывают отражение,
а для других волн фильтр прозрачен (рис. -2.39, а).
Рис. 2.38. Разделение оптических несущих с помощью дифракционной решетки:
1—оптическая решетка; 2—объектив

Плескай конструкция фильтра выполнена в виде комбинации
стекол с различными показателями преломления. При прохож-
дении через такой фильтр волны отражаются под различными
углами (рис. 2.39,в). Оптические фильтры обеспечивают ко-
эффициент отражения примерно 0,9.

Спектральное уплотнение позволяет не только увеличить
пропускную способность ОК, но и осуществить двустороннюю
передачу по одному волокну.

В технике оптической связи обычно используются два
волокна для передачи в прямом и обратном направлениях.

Рис. 2.39. Оптические фильтры:

а—модуляция диаметра волокна; б—модуляция по-
казателя преломления,	в—плоская конструкция

-	фильтра; г—разделение несущих; д~ объединение не-

Л'?	сущих
Рис. 2.40. Двусторонняя связь по одному волоконному световоду:
Л2—лазеры; ОР — оптический разветвитель; ФД—фотодиод

Спектральное уплотнение, как видно из рис. 2.40, позволяет
осуществить дуплексную двустороннюю связь по одному
волокну. Таким образом, можно строить оптические линии
по двухпроводной схеме, а не четырехпроводной, принятой
при передаче по электрическим кабелям.

Последнее время спектральное уплотнение получило
широкое развитие в технике междугородной связи за ру-
бежом.

В Великобритании для телефонной цифровой связи ИКМ
используются длины волн 1,15 и 1,3 мкм, а для телевидения—
длины волн 0,8; 0,825; 0,85 и 0,875 мкм. Таким образом, по
одному волокну одновременно ведется передача на шести
несущих и передается большой объем информации. Рекомен-
дуемый спектральный интервал между несущими составляет
30 нм на длине волны 0,8 мкм и 50 нм—на длине волны
1,3 мкм.

Во Франции мультиплексирование осуществляется на не-
сущих с длиной волны 0,75; 0,83 и 0,9 мкм, ведутся разработки
на длине волны 1,06 мкм и др. Известны также системы
передачи во втором окне прозрачности на длинах волн 1,22;
1,28; 1,34 мкм.

В ГДР с помощью оптических фильтров осуществляется
спектральное уплотнение в первом окне прозрачности на
длинах волн 0,81 и 0,85 мкм, интервал между несущими 40 нм.

Развивается мультиплексирование также в США, Японии,
ФРГ и других странах.

В заключение можно отметить, что спектральное уплотнение
открывает широкие возможности увеличения мощности оп-
тических трактов и развития сетей связи.

Достоинствами спектрального уплотнения являются: повы-
шение пропускной способности ОК, осуществление двусторон-
ней связи по одному ВС, наращивание мощности проложенных
 оптических линий связи, осуществление передачи различных
видов информации на разных несущих волнах в абонентских
интегральных сетях связи многоцелевого назначения.

5 Заказ 2460	65
ГЛАВА ТРЕТЬЯ

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ
ВОЛОКОН И КАБЕЛЕЙ

3.1.	СТЕКЛА ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН,
РАБОТАЮЩИХ НА ДЛИНЕ ВОЛНЫ 0,63—1,55 мкм

Самым низким поглощением в видимой и ближней инф-
ракрасной областях спектра среди большинства стекол обладает
плавленый кварц (при условии высокой степени очистки
и гомогенности) [1 ]. Кварц имеет значительные преимущества
перед остальными видами стекол из-за малых внутренних
потерь н| рассеивание. В оптических волокнах (ОВ) из
плавленого кварца самое низкое значение поглощения состав-
ляет 1,9 дБ/км на длине волны 0,85 мкм, 0,291 дБ/км—на
длине волны 1,3 мкм и 0,154 дБ/км—на длине волны 1,55
мкм; следовательно, собственное поглощение материала еще
меньше. Однако высокая температура плавления кварца, с од-
ной стороны, требует специальной технологии для изготовления
ОВ, с другой стороны, помогает избавиться от различных
примесей, которые испаряются при более низких температурах.

Стекла, применяемые для изготовления световодов (серд-
цевины и оптической оболочки), отличаются друг от друга
показателями преломления п. В кварц, показатель преломления
которого составляет 1,4585 на длине волны 0,589 мкм,
добавляется оксид бора (и =1,4582 при 7. = 0,589 мкм), сни-
жающий показатель преломления (рис. 3.1). Длительный отжиг
боросиликатного стекла приводит к увеличению п.

Другой способ понижения показателя преломления плавле-
ного кварца заключается в добавлении в него фтора. В про-
тивоположность метастабильному характеру изменения этого
показателя у чистого боросиликата снижение его у боросиликат-
ного стекла с добавкой фтора относится к внутреннему
свойству атомов фтора в матрице SiO2. Разность показателей
преломления чистого SiO2 и материала с добавкой фтора
увеличивается линейно с увеличением молярной концентрации
фтора вплоть до нескольких процентов. Показатель прелом-
ления кварца уменьшается на 0,2% при изменении молярной
концентрации фтора на 1%. При этом оптические свойства
кварца не ухудшаются.

Все другие добавки к плавленому кварцу, такие, как GeO2,
Р2О5, TiO2, А12О3, Sb2O3, приводят к увеличению показателя
преломления по сравнению с чистым кварцем без ухудшения
его оптических свойств. Молярные доли этих оксидов в кварце
могут меняться в пределах 1 —15%. Показатель преломления
увеличивается на 0,001 при увеличении молярной доли GeO2
Рис. 3.1. Зависимость показателя пре-
ломления бинарной стеклообразу-
ющей системы В2О3 — SiO2 от моляр-
ной доли оксида кремния MSiO

Рис. 3.2. Зависимость показателя пре-
ломления плавленого кварца от мо-
лярной доли оксида германия MGc0

на 1% (рис. 3.2). При молярной концентрации двуокиси
германия 20% показатель преломления увеличивается на 1,4%.

Кварц с добавкой германия, который может применяться
в качестве материала сердцевины ОВ, имеет широкое «окно»
прозрачности почти до 1,7 мкм.

Более предпочтительным в качестве легирующего матери-
ала, как более дешевый, является фосфорный ангидрид Р2О5.
При добавлении к плавленому кварцу Р2О5 для образования
бинарного стекла внутреннее поглощение материала и рэле-
евское рассеяние увеличиваются весьма незначительно. Хотя
фосфорный ангидрид сублимируется при температуре 300° С,
гигроскопичен и имеет температурный коэффициент линейного
расширения (ТКЛР) почти в 25 раз больше, чем у плавленого
кварца, он образует с ним устойчивое бинарное стекло,
тепловое расширение которого сравнимо с тепловым рас-
ширением чистого кварца при молярных концентрациях Р2О5
вплоть до 25%. Полученное стекло почти не проявляет никакой
тенденции к ликвации или кристаллизации. Оно также устой-
чиво к воздействию воды. Показатель преломления фосфо-
росиликатного стекла увеличивается линейно (по крайней мере
для небольших содержаний оксида фосфора) с увеличением
концентрации Р2О5. Начальный прирост показателя преломления
при изменении молярной концентрации Р2О5 на 1% составляет
0,043%. Вязкость и ТКЛР Р2О5 и SiO2 различаются, что
ограничивает количество фосфорного ангидрида, которое может
быть введено в плавленый кварц для изготовления ОВ.

При добавлении в массу кварца 1% TiO2 показатель
преломления увеличивается почти на 0,026%. Двойная стек-
лообразующая система с этой добавкой в плавленом кварце
выгодна тем, что титан может входить в матрицу стекла
с различными степенями ионизации, причем некоторые из них
обладают заметным поглощением в спектральной области,
представляющей рабочий интервал ОВ. Добавка Ti3+ является
особенно сильным поглотителем, и ее трудно окислить пол-
ностью. Необходима специальная термическая обработка ти-
тана в присутствии воды при температуре ниже точки
плавления стекла, которая приводит к получению двуокиси
титана и водорода.

Для повышения показателя преломления плавленого кварца
можно использовать оксид алюминия, потери на рассеяние
у которого ниже, чем у двуокиси германия [3 ]. К тому же
оксид А12О3 очень стойкий в противоположность оксиду GeO2,
который может образовывать летучие продукты GeO и GeCl4.

Стабильность оксида алюминия дает высокую эффектив-
ность его.; введения в стекло, при изготовлении заготовки
стекла менее чувствительны к воздействию парциального
давления кислорода и хлора, чем стекло с добавками GeO2.
Стекло, легированное А12О3, имеет более низкие значения
вязкости, что ускоряет процессы затвердевания.

Легирование кварцевого стекла оксидом сурьмы не только
позволяет, получить большее возрастание показателя прелом-
ления на 1 моль легирующей добавки по сравнению с GeO2,
но и уменьшает возможность образования кристаллической
фазы, даже если относительный показатель преломления до
и после введения Sb2O3 отличается более чем на 1,6%. Для
GeO2 это значение не превышает 1,5%.

Чистота исходных веществ, применяемых для изготовления
стекла, в значительной мере определяет его высокое качество
по всем контролируемым параметрам. Для оксидных стекол,
к которым относится и кварцевое стекло, основные потери
связаны с поглощением ионами переходных металлов (ванадий,
железо, хром, медь, кобальт, никель, марганец), а также
гидроксильными группами.

Гидроксильные группы ОН- являются основной примесью
в кварцевых стеклах, которая приводит к значительным
потерям. Причиной служит реакция групп ОН" с водородом,
содержащимся в атмосфере. Особенно большие потери воз-
никают на длине волны 0,95 и 1,4 мкм. Слабые полосы
поглощения появляются на длинах волн 0,725; 0,825; 0,875 мкм,
которые являются гармониками основного резонанса при
X = 2,7 мкм.

Снижения потерь в стекле можно добиться уменьшением
содержания гидроксильных групп до нескольких десятков
миллиграмм на килограмм. При этом коэффициент затухания
на длине волны 1,2 мкм может снизиться до 0,5 дБ/км. На
рис. 3.3 представлены три зависимости спектральных потерь
в ОВ, сердцевина которых изготовлена из боросиликатного
Рис. 3.3. Зависимость потерь в световоде от длины волны для различных
материалов сердцевины (размеры световода 60/150 мкм):

7—(GeO2-B2O3-SiO2); 2—(P2O5-SiO2); 3—(GeO2-SiO2)

стекла с добавками германия, фосфорно-силикатного стекла
и кварцевого стекла с добавками германия. Влияние гидро-
ксильных групп особенно заметно в кварцевых стеклах, ле-
гированных двуокисью германия, содержащих примеси алюми-
ния и натрия, достигающих в натуральном кварце 10—15
частиц на миллион, а в синтетическом кварце менее 3 частиц
на миллион. В кварцевом стекле, легированном Р2О5 и GeO2,
присутствие групп ОН- приводит к увеличению потерь пропор-
ционально концентрации Р2О5.

Тройные или более сложные стеклообразующие системы,
такие, как натрий-кальций-силикатное и натрий-боросиликатное
.стекло, имеют низкие температуры плавления: натрий-кальций-
силикатное стекло (Na2O, СаО, SiO2) 1400°С; щелочно-свин-
цовое стекло (Na2O, PbO, SiO2) 1400° С; натрий-алюминий-
силикатное стекло (Na2O, А12О3, SiO2) 1450° С; натрий-
боросиликатное стекло (Na2O, В2О3, SiO2) 1250° С. Эти стекла
обладают также более высоким показателем преломления
и могут быть модифицированы для получения материала
с низким показателем преломления (для оптической оболочки).
Показатели преломления натрий-боросиликатного стекла мож-
но уменьшить на 3%, натрий-кальций-силикатного стекла — на
4%, щелочно-свинцовое силикатное стекло—почти на 10%,
причем все эти модификации согласуются между собой по
остальным свойствам и могут использоваться как материалы
для сердцевины и оптической оболочки ОВ.

Недостатком таких низкоплавких многокомпонентных сте-
кол является большая возможность загрязнения, чем у плав-
леного кварца, что затрудняет их очистку от примесей для
понижения поглощения и рассеяния. Из-за низких температур
размягчения и плавления загрязнение стекла (и ОВ) возможно
на всех стадиях их получения. Для большинства применений
предпочтительны кварцевые стекла, поскольку они обладают
рядом положительных свойств, а двуокись кремния как
составная часть может быть получена с очень высокой
степенью чистоты.

3.2.	СТЕКЛА ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН,
РАБОТАЮЩИХ В СРЕДНЕЙ

И ДАЛЬНЕЙ ИНФРАКРАСНЫХ ОБЛАСТЯХ

Использование ИК-диапазона волн для ОВ позволит умень-
шить рэлеевские потери, что значительно увеличит дальность
передачи и улучшит экономические показатели оптических
систем связи. Для этого предлагается заменить кварце-
вые стекла, работающие на длинах волн до 1,7 мкм,
на стекла, легированные германием, содержащие добавки
Bi2O3, Т12О, PbO, Sb2O3. Германиевые стекла имеют
следующие* характеристики: плотность (5,4—7,66) г/см3;
ТКЛР = (10,6-15,9)10-6оС“1; «=1,93948 - 2,28553; дисперсия
равна нулю в диапазоне 1 = 2,08 — 2,81 мкм; минимальные
потери могут составить менее 0,1 дБ/км [2,4]..

В 1954 г. Б. Т. Коломийцем и Н. А. Горюновой был открыт
новый класс полупроводниковых веществ — халькогенидные
стеклообразные полупроводники—стекла, в состав которых
входят халькогены VI группы периодической системы Мен-
делеева [5]. Типичными представителями являются сульфид
и селенид мышьяка. В стекла этого типа могут входить Т1,
Ge, Si, Sb и некоторые другие Элементы.

Халькогенидные стекла характеризуют чрезвычайно низкие
подвижности носителей заряда, высокая фотоэлектрическая
чувствительность, слабая зависимость электрофизических
свойств от примесей, возможность изменять параметры в широ-
ких пределах путем плавного изменения состава, технологич-
ность и др. [6, 7].

Халькогенидные стекла обладают высокой прозрачностью
в ИК-области спектра от 1 до 18 мкм. Для стекла As2S
материальная дисперсия равна нулю на длине волны 4,85 мкм
(рис. 3.4). Для стекол на основе As — S и As — Se об-
ласть, в которой материальная дисперсия равна нулю, лежит
в диапазоне 4—6 мкм. Минимальные оптические потери для
этих стекол, рассчитанные путем экстраполяции краев элек-
тронного и фотонного поглощений в область прозрачности
материала и учета потерь на рэлеевское рассеяние, составляют
(2—3) • 10“2 дБ/км (рис. 3.5). Халькогенидные стекла на осно-
Рис. 3.4. Спектральная зависимость
материальной дисперсии стекла на
основе As2S3

ос,дБ/км

*	I

2

0,1

0,06

0,04

0,001
2 3 4 5 6 7 8

К, мкм

Рис. 3.5. Спектральная зависимость
оптических потерь стекол на основе:
1—As2S3; 2—As2Se3

ве Ge—Р—S могут иметь потери порядка (10-1 —10“2) дБ/км
на длине волны 5,5 мкм.

Халькогенидные стекла трудно совместимы со стеклами
других типов. Это объясняется резким отличием температуры
стеклования (139—400) °C и ТКЛР (11— 30) • 10“6 °C-1 этих
стекол от этих параметров у стекол других составов. В ча-
стности для стекол из As2Se3 ТКЛР = 25 • 10~б °C-1, а для
As2S3 ТКЛР= 19 • 10~6оС-1.

Показатель преломления для As2Se3 на длине волны 5 мкм
п = 2,481, а для As2S3 п = 2,406, при этом соотношение
показателей преломления As2Se3 и As2S3 в области длин
волн 2—12 мкм сохраняется примерно постоянным. Модуль
Юнга халькогенидных стекол лежит в пределах 20—41 ГПа.

Близкие значения ТКЛР селенида и сульфида мышьяка
и отмеченные выше свойства показателей преломления могут
быть использованы при изготовлении ОВ, в которых один
из материалов используется в качестве сердцевины, а другой
в качестве оптической оболочки [8].

В настоящее время коэффициент затухания халькогенидных
стекол составляет более 103 дБ/км, что вызвано абсорбцией
из-за наличия примесей H2S, H2Se, оксидов различных элемен-
тов, молекул воды и рассеяния из-за наличия включений.
Для стекол на основе Ge—S обработка исходных материалов
в парах S2C12 приводит к существенному уменьшению поглоще-
ния, обусловленному наличием групп HS (от 150—330 до
30—80 дБ/м) и Н2О на длине волны 6,6 мкм (от 10—1300
до 10—50 дБ/м). Имеется четыре окна прозрачности после
обработки исходного материала Ge—S парами S2C12 с по-
терями ниже 1 дБ/м: 0,36 дБ/м на Х = 2,4 мкм; 0,85 дБ/м
на Х=3,3 мкм; 0,56 дБ/м на Х = 4,7 мкм; 1 дБ/м на Х= 5,1 мкм.

К преимуществам халькогенидных стекол можно отнести
сравнительно широкую область стеклования, высокую
стойкость к воздействию влаги и (особенно для тяжелых
халькогенидов) большую длину волны отсечки.
' Галогенидные стекла (галиды) [9, 10] имеют в своей основе
хлориды и фториды различных металлов. При использовании
галоидной добавки ZnCl2 основная частота смещается в ин-
фракрасную область (около 38 мкм), что значительно умень-
шает потери на рэлеевское рассеяние. Известны стекла на
основе хлоридов калия и натрия [11].

Хлоридные стекла имеют минимальные внутренние потери,
но более чувствительны к загрязнению, ч -м стекла на основе
фторидов, и растворимы в воде.

Фторидные и фтор-хлорсодержащие стекла (BeF2 и ZnCl2)
в перспективе могут обеспечить коэффициент затухания 10 ~2
и 10~3 дБ/км соответственно. Однако бериллиевые стекла
очень токсичны, а цинковые обладают высокой гигроскопич-
ностью.

Стекла тта основе фторидов циркония и гафния с добавками
BaF2 (30—40%), некоторого количества щелочи, щелочной
земли, фторидов редкоземельных элементов, обеспечивающие
стабильность стекла, характеризуются коэффициентом затуха-
ния (5—8)-10“3 дБ/км на Х=(2,4 + 0,1) мкм. При этом из
стекла необходимо удалить примеси железа, никеля, гидро-
ксильные "группы, имеющие высокие потери на абсорбцию
в интервале длин волн 2—3 мкм. Помимо этого фторидные
стекла имеют относительно узкую область стеклообразования
и малую термостабильность, приводящую к расстекловыванию,
а в некоторых стеклах к появлению кристаллов размером от
10 до 50 мкм. В связи с этим основной упор делают на
разработку комплексных композиций стекла, содержащих 4 —6
фторидных компонентов в целях повышения стабильности
и достижения вязкости, обеспечивающей вытяжку оптических
волокон.

Наиболее стабильные композиции основаны на ZrF4 —
BaF2 — LaF3 — A1F3 — NaF стеклах. Главные компоненты играют
следующую роль: ZrF4 — обеспечивает формирование цепочки;
BaF2—модификатор; LaF3 — стабилизатор; A1F3 и NaF до-
бавляют для изменения вязкости и улучшения стабильности.
Для улучшения технологичности при вытяжке ОВ в ком-
позицию кроме указанных могут быть добавлены фториды
Се, Gd, Lu, Al, Nd. Введение ионов Nd+3 в стекло приводит
к тому, что стекло обеспечивает возможность генерирования
лазерного излучения с X л 1,06 мкм.

Многие композиции стекол могут базироваться на ком-
бинации MF2 — A1F3, где М — один или несколько элементов
ряда Са, Sr, Ba, Pb, Ra, Cd, Hg, J. Системы на основе A1F3
обладают максимумом абсорбции на А=18 мкм, в то время
как стекла с группой ZrF4 имеют слабый пик на Х=23 мкм.

Фторидные стекла имеют тенденцию к поверхностной
рекристаллизации в результате воздействия атмосферной влаги
72
и кислорода. Для их защиты необходимо применять специ-
альную технику нанесения покрытия на волокно.

Фторидные стекла характеризуются высокой прозрачностью
в широком диапазоне длин волн от ближней ультрафиолетовой
(0,3 мкм) до средней и дальней ИК-областей; они имеют
следующие параметры:

Числовая апертура ..........................

Температура стеклования, "С ..............:.

ТКЛР, "С-1 .................................

Вязкость, Па-с, при 490° С .................

Показатель преломления в видимой части спек-
тра ........................................

Ударная вязкость, МПа  м0,5 ...............

0,1 0,2
300—450
(17 20) 10”6
4

1,47 1,53

0,27- 0,38

Стекла на основе фторида бария, торий-иттрия, цинка,
алюминия с добавками фторида индия, заменяющими фторид
алюминия, дают хорошую стабильность и прозрачность в ИК-
области от 7 до 8 мкм.

Иодидные и бромидные стекла обладают малой стабиль-
ностью.

Для изготовления ОВ применяют кристаллические матери-
алы на основе TIBrJ, KCl, AgCl и т. д. Теоретически показано,
что коэффициент затухания для этих материалов составляет
1(Г2-10л дБ/км.

3.3.	МАТЕРИАЛЫ БУФЕРНОГО И ЗАЩИТНЫХ
ПОКРЫТИЙ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

Первичное защитное покрытие (ПЗП) наносится на повер-
хность ОВ при его непосредственном изготовлении в едином
технологическом процессе. Оно предназначено защищать ОВ
от механических повреждений, влаги и других внешних фак-
торов.

Существует несколько важных требований к полимеру,
используемому для первичного покрытия. Он должен быть
стоек при воздействии рабочих температур; реагенты должны
быть жидкими при комнатной температуре и иметь до-
статочно низкую вязкость для наложения на световод в виде
пленки толщиной 10—50 мкм концентричным слоем, посто-
янным по толщине, т. е. их вязкость не должна превышать
5 Па • с. Реагирующие компоненты материала должны пол-
ностью превращаться в твердый полимер (свободный от
растворителя или продуктов реакции) с гладкой поверх-
ностью. Время полимеризации должно быть соотнесено со
скоростью вытяжки ОВ. Показатель преломления полимера
должен быть не менее 1,43. ПЗП должно иметь хорошую
адгезию к материалу оптической оболочки световода и быть
эластичным.
Первичное защитное покрытие, как и другие виды покрытий,
при его наложении на световод не должно вызывать остаточных
напряжений по всей его длине или в локальных точках.
Полимерное покрытие должно легко сниматься с поверхности
волокна. При выборе материала необходимо учитывать ТКЛР,
который должен приближаться к ТКЛР материала световода.

Большей частью в качестве материала ПЗП используются
лаки. По способу полимеризации они делятся на материалы
теплового и ультрафиолетового (УФ) отверждения.

К первым из них можно отнести силиконовые компаунды
[12], представляющие собой модифицированную двухкомпо-
нентную силиконовую смолу, отверждаемую при нагреве.
Отверждаясь, она превращается в мягкую, прозрачную, ка
учукоподобную композицию. Предварительно материал
фильтрую-? через сито с размером ячейки не более 0,8 мкм
для удаления любых инородных примесей, которые могут
воздействовать на поверхность ОВ. Затем материал подвергают
катализу и хранят при низкой температуре. Достоинством
данного материала является то, что из него получают покрытие
с низким модулем Юнга. Следовательно, ОВ защищено от
механических повреждений твердыми поверхностями, а также
предохранено от влияния микроизгибов.

Материалы ПЗП теплового отверждения имеют следующие
технические данные:

Плотность, г/см3 ............................. 1,09—1,10

Твердость (по Шору А) ........................ 25—40

Относительное удлинение, % ............................ 100

Разрушающее напряжение при разрыве, Н/м2 ..... 18,2-103

Показатель преломления ....................... 1,43—1,52

Вязкость кинематическая, см2/с ............... 1800—4000

Время полимеризации при температуре 150° С, мин До 30

ТКЛР, °C-1 ................................... 3 10“4

Указанные значения могут изменяться в зависимости от
конкретного типа материала.

Основным недостатком данного полимера является водо-
проницаемость. Через пленку толщиной приблизительно 50 мкм
вода диффундирует до 300 г/м2 в сутки.

Материалы ПЗП УФ-отверждения [13, 14] включают в себя
кремнийорганические компаунды, эпоксиакрилаты, уретанак-
рилаты. Они обладают весьма существенным преимуществом
по сравнению с материалами теплового отверждения, заключа-
ющимся в высокой скорости проведения полимеризации. УФ-
отверждаемые материалы имеют лучшую однородность по-
крытия, так как отверждение происходит практически мгновен-
но при низкой температуре.

Материал ПЗП УФ-отверждения состоит из пяти основных
компонентов: фотоинициатора (0,5—5%), олигомера (около
14%), многофункционального мономера (20—60%), раствори-
теля (5—15%) и присадок (0,1 —2,0%).

Фотоинициаторы изготовляют на основе ароматических
кетонов (эфиры бензоинов). Энергия УФ-излучения, необхо-
димая для проведения полимеризации, должна составлять не
менее 3,5 Дж/см2, мощность светового потока 80—120 Вт/см.
Длина волны излучения 0,25 и 0,34 мкм. При Х = 0,25 мкм
полимеризация полимера происходит на поверхности ПЗП,
при Х=0,34 мкм—внутри ПЗП.

Химически активный олигомер с молекулярной массой
1000—20 000 имеет высокую вязкость. Для ПЗП кроме уре-
танакрилатов и эпоксиакрилатов можно использовать олиго-
эфиракрилаты. Многофункциональные мономеры содержат
в своей основе акрилаты. Они предназначены для увеличения
скорости полимеризации, контроля степени сшивки, увеличения
стойкости к растворителям, регулирования твердости и жест-
кости покрытия. Наиболее часто применяемые мономеры—
эфиры диакрилата и диметилакрилата, трифункциональные
мономеры.

Растворители в своей основе содержат акрилатные и виниль-
ные группы, которые применяются для уменьшения вязкости
компаунда, увеличения гибкости покрытия, уменьшения усадки
при полимеризации. Наиболее часто используют следующие
растворители: бутилакрилат, этилгексилакрилат, феноксиэтилак-
рилат, гидроксиэтилакрилат, и-винил-2-кетопирролидин, вини-
лацетат.

Присадки представляют собой силиконы, гидрокарбонаты,
фенотиазин (стабилизатор), силиконовое масло и служат для
улучшения адгезии, контроля поверхностного натяжения, умень-
шения вероятности образования воздушных пузырей, улучшения
смачиваемости, уменьшения коэффициента трения и пр.

При изготовлении ОВ с многослойным защитным полимер-
ным покрытием в некоторых случаях между основными слоями
наносят дополнительный промежуточный, получивший название
буферного. Материал буферного слоя должен иметь высокое
значение модуля Юнга и играть роль демпфера, уменьшающего
воздействие защитных оболочек на ОВ. Буферный слой выпол-
няется из мягкого полимерного материала, например из
кремнийорганических или уретанакрилатных композиций. Обоб-
щенные требования к характеристикам материала буферного
покрытия приведены в [2, 12, 15—17].

Материал этого покрытия должен обеспечить защиту ПЗП
и буферного слоя от механических повреждений в процессе
изготовления и прокладки кабеля. Обычно для этого исполь-
зуют эпоксиакрилаты, уретанакрилаты, фторполимеры, полип-
ропилен, нейлон-12, капрон, полиэтилены, кремнийорганические
резины и пр. [18].
При выборе материала вторичного защитного покрытия
(ВЗП) стремятся обеспечить механическую прочность покрытия
выше прочности ОВ. Однако при этом необходимо учитывать
воздействие ВЗП на ОВ, возникающее из-за разности ТКЛР
материала ВЗП и волокна, а также вклада релаксационных
напряжений в материале покрытия. Влияние ВЗП на ОВ
можно уменьшить применением тонкослойных покрытий
и управления релаксационными и ориентационными процессами
в полимерах. Тонкослойные покрытия наносят с использова-
нием эпоксиакрилатов и уретанакрилатов.

Управление релаксационными и ориентационными процес-
сами в полимерах может быть осуществлено введением в них
малого количества легирующих добавок, в качестве которых
используют несовместимые с основным полимером вещества
различной химической природы. Введение легирующих добавок
в полимер способствует повышению подвижности полимерной
системы и созданию надмолекулярной структуры с более
плотной упаковкой полимерных цепей. Легированные матери-
алы характеризуются наличием малых внутренних напряжений
благодаря г ускорению протекания релаксационных процессов.
Одновременно улучшается переработка материала, увеличива-
ется производительность оборудования, экономятся матери-
альные и энергетические ресурсы.

Важным свойством, характеризующим применение полимера
в качестве материала ВЗП является скорость релаксации. Один
из способов уменьшения остаточных напряжений заключа-
ется в отжиге оболочки в процессе ее наложения. Снятие
релаксационных напряжений в полимере обеспечивает ста-
бильность геометрических размеров и исключает возмож-
ность деформации ОВ, вызывающей увеличение коэффициента
затухания.

Уровень остаточных напряжений, а следовательно, и тол-
щина ВЗП, во многом определяются степенью ориента-
ции макромолекул полимера и различием ТКЛР стекла
и полимера.

Ниже приведены значения ТКЛР некоторых материалов,
из которых следует, что для полимерных материалов он на
один-два порядка больше ТКЛР кварца [19, 20]:

Наименование материала	ТКЛР, “С 1

Кварц ............................................ 5.8 10“7

Полиэтилен низкой плотности ...................... (2,2—5,5)  10“4

Полиэтилен высокой плотности ..................... 4-10“4

Полипропилен ..................................... 1,1  Ю-4

Поливинилхлорид .................................. 1,6-10“4

Полистирол ....................................... 8 • 105

Фторопласт-40 .................................... (6—9) 10“5

Полиакрилат ...................................... 7,7 10“5

Поливинилацетат .................................. 8,6-10“5
Поликарбонат .......................................... 6-10“5

Нейлон-12 ........................................ 1 -10-4

Халар ............................................ 8-10“5

Хайтрел .......................................... 8-10“5

Самозатухающий полиэтилен ........................ (2,1—5,5)-10“4

Полиуретан ....................................... (1—2) • 10-4

Алюминий ......................................... (2,2—2,5) 10“5

Сталь ............................................ (1,1 - 1,8)10~5

Температурный коэффициент линейного расширения поли-
мера зависит от степени ориентирования его молекул, степени
кристалличности и стабильности кристаллической структуры.
Возможно получение ориентированных полимеров, например
полипропилена, с отрицательным значением ТКЛР вдоль оси
ОВ. Введение в полимер легирующих добавок приводит
к уменьшению ТКЛР.

В качестве материала, удовлетворяющего требованиям по
ТКЛР и усадке, можно применять термотропные жидко-
кристаллические полимеры [21, 22].

3.4.	МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
И ОБОЛОЧЕК КАБЕЛЕЙ

Для силовых (армирующих) элементов используют сталь,
медь, армированную вольфрамом, полимерные материалы на
основе амидосодержащих групп, стеклопластиковые элементы,
углеродное волокно.

Медь, армированная вольфрамом, обладает высокими
механическими параметрами в широком интервале тем-
ператур: удельная проводимость составляет 40—45% про-
водимости меди; разрушающее напряжение при разрыве
1177—1275 МПа, относительное удлинение 3%; максималь-
ная рабочая температура 150° С. Конструктивно армирован-
ная проволока состоит из упрочняющих волокон вольфрама
(арматуры) и заполняющего материала — меди (матрицы).
Армированная медная проволока имеет прочность в 1,5—3
раза большую, чем сталемедная при равной удельной
проводимости.

Стеклопластиковые элементы по своей конструкции ана-
логичны медной, армированной вольфрамом проволоке. Ар-
матурой в данном случае служит техническая стеклонить или
любая другая нить из подходящего материала, а матрицей —
эпоксидный компаунд, полиамид и пр. Физико-механические
параметры стеклопластиковых элементов в сравнении со сталь-
ной проволокой приведены в табл. 3.1 [23, 24].

Оболочку кабеля выполняют из обычных материалов,
широко применяемых в кабельной технике. К ним относятся
полиэтилен низкого давления, поливинилхлорид, полиуретан,
фторопласт [25 ].
Таблица 3.1

Параметр	Конструк- ционная стальная проволока	Стеклопластик на основе		
		полиамид- ного связую- щего со стек- лонитями	эпоксидного связующего	
			с синтетиче- скими нитями	со стекло- нитями
Плотность, г/см3	7,8	1,27	1,45	2,08
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа	500	1150	1460	1400
Относительное удлинение, %	—	1,92	2,9	1,5
Модуль упругости при растяжении, £ЛПа	210 000	15 000	48 500	51 400
Разрушающее напряже- ние при сжатии, МПа	450	450	500	6.40
Разрушающее напряже- ние при изгибе, МПа	340	450	1720	1610
Влагопоглощение, %	—	1,5	0,5	0,5
ТКЛР, “с-Мо6	11	117	16	6,6
Минимальный радиус из- гиба, мм	—	300	500	500

Возможно выполнение оболочки в виде комбинации стек-
лянных или синтетических нитей, пропитанных эпоксидным
компаундом. Этим добиваются не только высокой прочности
и стойкости к кручению, но и хорошей стойкости к продав-
ливанию и герметичности. Модуль упругости материала такой
оболочки составляет 55 ГПа, плотность материала 2,2 г/см3.
Для специальных случаев оболочка кабелей выполняется из
алюминия, стали или свинца. Возможно применение брони.
Выбор материала защитной оболочки или брони кабеля во
многом определяют условия и регионы эксплуатации кабель-
ного изделия.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ

КОНСТРУКЦИИ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

4.1.	КЛАССИФИКАЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

В соответствии с ГОСТ 26793—85 оптические волокна
подразделяют по следующим признакам: на группы (по типу
распространяющегося излучения), на подгруппы (по типу
профиля показателя преломления), на виды (по материалу
сердцевины и оболочки).
Существуют следующие группы ОВ (в скобках указано
обозначение по ГОСТ 26793—85): многомодовое (М), одно-
модовое без сохранения поляризации излучения (Е) и одно-
модовое с сохранением поляризации излучения (П).

Группа многомодовых ОВ делится на две подгруппы: со
ступенчатым профилем показателя преломления (С) и с гради-
ентным профилем показателя преломления (Г).

Виды ОВ: кварцевые сердцевина и оптическая оболочка
(1), кварцевая сердцевина и полимерная оптическая оболочка
(2), сердцевина и оптическая оболочка из многокомпонентного
стекла (3), сердцевина и оптическая оболочка из полимерного
материала (4), прочие (5) [26].

4.2.	МНОГОМОДОВОЕ ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО

Рис. 4.1. Профиль показателя прелом-
ления многомодового градиентного
ОВ, полученного методом MCVD:
п—nannvc сеолиевины: г и п—текущие

Градиентное ОВ характеризуется профилем показателя пре-
ломления в виде монотонно убывающей . функции радиуса
в пределах его сердцевины. Оптимальный профиль показателя
преломления в ОВ — параболический. Однако в реальных
условиях получить параболический профиль показателя прелом-
ления практически не удается из-за несовершенства технологии
изготовления заготовок, поэтому обычно вводят термин «ква-
зипараболический профиль показателя преломления». Для за-
готовок, полученных методом MCVD (см. далее § 7.3), он
характеризуется многоступенчатостью и наличием центрального
провала (рис. 4.1), ухудшающего дисперсионные свойства ОВ.
При постоянной площади про-
вала большее влияние ока-
зывает ширина, чем глубина,
так как именно ширина опре-
деляет число мод, скорость
распространения которых из-
меняется из-за наличия про-
вала [27].

Оптические волокна, значе-
ние показателя преломления
которых постоянно в пределах
сердцевины, относят к ступен-
чатому волокну. Многомодо-
вое ОВ обеспечивает распрост-
ранение нескольких мод или
типов волн оптического излу-
чения, характеризующихся
определенным распределением
поля в поперечном сечении
и определенными фазовыми

СКОРОСТЯМИ.	значения радиуса и показателя преломления
4.3.	ОДНОМОДОВОЕ ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО

Одномодовое ОВ предназначено для передачи одной моды.
Такие ОВ без сохранения поляризации излучения имеют
сердцевину небольшого диаметра (до 10 мкм) и толстую
оптическую оболочку [21 ]. Дисперсия сигнала, распространя-
ющегося по ОВ, обусловлена тремя причинами: зависимостью
групповой скорости моды от частоты (волновая дисперсия),
изменением показателя преломления материала с изменением
частоты (дисперсия материала) и разбросом групповых ско-

Рис. 4.2. Профили показателей преломления и зависимость дисперсии от
длины волны для одномодовых ОВ без сохранения поляризации:
а обычное; б—со смещенной дисперсией; в—с выровненной смещенной дисперсией; 1—сум-
марная дисперсия; 2—материальная дисперсия; 3—волновая дисперсия; и1; и2, и,-—показатели
преломления сердцевины, оптической оболочки и внутренней оптической оболочки
ростей отдельных мод в многомодовом режиме работы
(межмодовая дисперсия). Для одномодового ОВ дисперсия
сигнала определяется первыми двумя причинами (рис. 4.2).

Волновая дисперсия зависит от профиля показателя прелом-
ления, ее значения положительны в одномодовой области
изменения параметра V (характеристический параметр ОВ,
нормированная частота). За границей одномодовой области
при V = 2,9 волновая дисперсия проходит через нуль и становит-
ся отрицательной. Она достигает минимума при Г =4,57.

Дисперсия материала с хорошими оптическими свойствами
обычно положительна в длинноволновой области и проходит
через нуль для плавленого кварца на длине волны А.о = 1,28 мкм.

В нормальных условиях материальная дисперсия преоб-
ладает над волновой дисперсией. Обе компоненты могут иметь
противоположный знак и различаются зависимостью от длины
волны, что позволяет изменить общую дисперсию волокна.
Небольшое увеличение волновой дисперсии при увеличении
длины волны происходит из-за увеличения части мощности,
распространяющейся в оболочке с низким показателем прелом-
ления, расположенной вокруг легированной сердцевины ОВ.

Одномодовые ОВ без сохранения поляризации излучения
имеют еще один недостаток —ширина окна с низкой дисперсией
не только ограничена, но и не согласуется с окном наименьших
потерь. Для плавленого кварца минимум потерь соответствует
длине волны 1,55 мкм (рис. 4.3). Разработаны способы
согласования в одномодовых ОВ областей с низкой дисперсией
и минимальными потерями [28].

Наиболее простой и распространенной конструкцией од-
номодового ОВ является хорошо известная конструкция со
ступенчатым профилем показателя преломления сердцевины
с согласованной оптической оболочкой (рис. 4.4, а}. Она

Рис. 4.3. Спектральная зависимость коэффициента затухания и дисперсии для
одномодового ОВ без сохранения поляризации излучения:

/ —обычного: 2—со смещенной дисперсией; 3—с выровненной смещенной дисперсией;
4—коэффициент затухания

6 Заказ 2460	81
«7

«7

Рис. 4.4. Профили показателей преломления одномодовых ОВ без сохранения
поляризации излучения

характеризуется следующими усредненными параметрами: диа-
метр сердцевины 2а ^8,7 мкм; диаметр модового пятна
(характеристика концентрации световой энергии в сердцевине
ОВ) 2со0 = 9,6 мкм; характеристический параметр 2,405;
относительная разница показателей преломления сердцевины
и оптической оболочки Лп = [(п1—п2)/п1]-1000/о = 0,3°/о [29].

Эта конструкция была модифицирована. Модификация про-
ходила в трех направлениях, что позволило создать одномо-
82
довые ОВ с немодифицированной, смещенной и сглаженной
дисперсией.

'К одномодовым ОВ с немодифицированной дисперсией
относят ОВ с депрессированной (рис. 4.4, б), глубоко депрес-
сированной (рис. 4.4, в), многоступенчатой (рис. 4.4, г), фто-
рированной (рис. 4.4, <)) оптическими оболочками [21 ].

Депрессированные ОВ характеризуются относительными
разностями показателей преломления:	сердцевины

пг и внутренней п3 оптической оболочки Лщ = [(щ —«з^щ] х
х 100%; внешней п2 и внутренней оптических оболочек
Д«2 = [(й2 — пз)1пг} ’ 100%. Длина волны отсечки (длина
волны, на которой разница потерь мод высших порядков
и основной моды составляет на данной длине волокна 20 дБ)
для депрессированных одномодовых ОВ на 100 нм короче, чем
для одномодовых ОВ с согласованной оболочкой. Профиль
показателя преломления выбирают таким, чтобы ОВ сохраняло
одномодовый режим при V> 2,405. Номинальные параметры
депрессированных ОВ [21] (рис. 4.4, б) составляют: Ли1=0,37%;
2а = 8,3 мкм; Ап2 = 0Д2°/о; а/Ь1 = 6,5; диаметр модового пятна
8,8 мкм. Средние потери на А.= 1,31 мкм для данного ОВ
составляют 0,35 дБ/км, на Х=1,55 мкм—0,20 дБ/км. В лабора-
торных условиях были получены потери 0,16 дБ/км на Х=
= 1,55 мкм. Рэлеевские потери минимизировали благодаря приме-
нению сердцевины из почти чистого кварца. Заготовки для этих
ОВ получены методом MCVD. Потери сравнимы с потерями в ОВ
с согласованной оптической оболочкой, изготовленных из
заготовок, полученных методами OVD и VAD (см. далее, § 7.3).

Наклон (касательная к кривой) дисперсии при X, соответ-
ствующей минимальной дисперсии материала на А.о = 1,28 мкм,
составляет примерно 0,09 пс/(нм2 • км) для депрессированного
и согласованного волокон. Эта величина относительно нечув-
ствительна к изменениям конструкции и профиля показателя
преломления.

Одномодовые ОВ с депрессированной оболочкой имеют
преимущество перед волокнами с согласованной оптической
оболочкой. Они работают при более высоком значении V и име-
ют меньший диаметр модового пятна, обладают более высокой
стойкостью к изгибающим и раздавливающим нагрузкам.

Для согласования наименьших потерь в ОВ с длиной
волны, соответствующей дисперсии, равной нулю, применяют
волокна со смещенной дисперсией [21] (табл. 4.1). Увеличение
волновой дисперсии, необходимое для согласования, получают
благодаря распространению света вне сердцевины со ступен-
чатым профилем показателя преломления и высокому значению
показателя преломления сердцевины (рис. 4.4, е), высокому
значению показателя преломления сердцевины и фторированию
оптической оболочки (рис. 4.4, ж). Применение треугольного
Таблица 4.1. Одномодовые ОВ со смещенной дисперсией

Параметр		—	4	«			  Профиль показателя преломления в соответствии с рисунком									
	4.5, а	4.5, б	4.5, в	4.5, г	4.5, д	4.5, е	4.5, ж	4.5, з	4.5, и	4.5, к
Дисперсия, пс/(нм км)	-1	0	0	-6			0,3	3	0	0
Наклон дисперсии на А =1,55 мкм, пс/(нм2 - км)	0,08	0,06	0,05	0,154	—	—	0,052	0,09	0,075	—
Длина волны нулевой дисперсии  Ао, мкм  Коэффициент затухания, дБ/км, на А. = 1,55 мкм	1,56	1,55	1,55	1,59	1,56	1,56±0.01	1,544 + 0,022	1,52	1,55 + 0,01	1,55
	0,32	0,2	0,2	0,2	0,33	0,21	0,24	0,21	0,21(0,17)	0,22
Вносимые потери на сращивание, дБ	2	—	0,04 + 0,03	—	—	0,06	—	—	0,12	—
Технология изготовления	VAD	VAD	VAD	VAD	MCVD	MCVD	MCVD	VAD	OVD	MCVD
Рис. 4.5. Профили показателей преломления одномодовых ОВ со смещенной
дисперсией

(рис. 4.4, и), трапецеидального (рис. 4.4, к), «гауссиан» (рис.
4.4, л), сегментного (рис. 4.4, м) и конвексного (выпуклого)
(рис. 4.4, з) профилей увеличивает стойкость ОВ к воздействию
поперечной раздавливающей силы и изгибающих нагрузок.

Одномодовые ОВ со смещенной дисперсией имеют наимень-
шие потери на А =1,55 мкм и максимальные—на А^1,31 мкм.
Этого достигают увеличением показателя преломления  серд-
цевины или созданием профиля показателя преломления серд-
цевины, близкого к треугольному. Треугольный профиль прида-
ет самофокусирующие свойства и удерживает распространя-
ющиеся лучи в небольшом объеме. Так как волновая дисперсия
становится больше с уменьшением модового пятна, то при
треугольном профиле п можно иметь больший диаметр
сердцевины, чем для волокна со ступенчатым распределением
показателя преломления при равном значении дисперсии. Это
позволяет «сдвинуть» значение дисперсии, равное нулю,
к А= 1,55 мкм.

Для треугольного профиля показателя преломления оп-
тимальными являются 0,8 % < Ли < 1 %.
Рис. 4.6. Профили показателей преломления одномодовых О В со сглаженной
дисперсией

Собственные потери в ОВ могут быть уменьшены путем
уменьшения концентрации легирующей добавки германия
и применения фтора для уменьшения п2 при сохранении Ан
постоянной. ОВ со смещенной дисперсией слабонаправленные,
поэтому они должны иметь толстую оболочку для предотв-
ращения утечки мощности.

Одномодовые ОВ со сглаженной (выровненной) дисперсией
(табл. 4.2) изготовляют путем создания депрессированного
кольца в оптической оболочке вокруг сердцевины. Этот тип
ОВ теперь известен как ОВ W-типа или одномодовое ОВ
с двойной оптической оболочкой (DFSMI) (рис. 4.4, и). Дис-
персия ОВ вблизи 1= 1,3 мкм приблизительно соответствует
дисперсии обычного одномодового ОВ со ступенчатым про-
филем показателя преломления. Однако с увеличением длины
волны распространяющийся свет проникает в депрессированное
кольцо профиля вокруг сердцевины, что приводит к прогрес-
сирующему увеличению волновой дисперсии в длинноволновой
области. Это может компенсировать материальную дисперсию
в широком интервале длин волн.

Другими разновидностями ОВ со сглаженной дисперсией
являются ОВ с квадрупольной (рис. 4.4, о), с квадрупольной
86
Таблица 4.2. Одномодовые ОВ со сглаженной дисперсией

Параметр	Профиль показателя преломления в соответствии с рисунком						
	4.6, а	4.6, б	4.6, в	4.6, г	4.6, д	4.6, е	4.6, ж
Дисперсия на А =1,33 мкм, пс/(нм - км)	-8	0	-6	-3	-4	—	-25 ±0,5
Наклон дисперсии на Л= 1,33 мкм, пс/(нм2 - км)	0,06	—	0,06	0,03	0,10	—	0,06
Дисперсия на Л= 1,55 мкм, пс/(нм  км)	+0,5	1	-0,5	-0,8	-0,1	—	0,5 ±1
Наклон дисперсии на А =1,55 мкм, пс/(нм2 - км)  Длина волны для дисперсии, рав- ной, мкм:	-0,01		0	-0,02	-0,1		-0,01
3 пс/(нм • км)	1,4—1,7	1,25—1,7	1,37—1,60	1,30—1,65	1,32—1,70	1,3—1,65	1,28—1,6
5 пс/(нм  км)	1,45—1,7	1,3—1,65	1,40—1,60	1,38—1,60	1,38—1,7	—	1,33—1.6
Длина волны нулевой дисперсии Ао, мкм	1,50/1,67	1,3/1,6	—	1,47/1,51	1,51	1,38/1,58	1,35/1,61
Коэффициент затухания на 1= = 1,3/1,55 мкм, дБ/км	0,6/0,4	0,6/0,4	0,35/0,20	0,7/0,4	1,4/0,6	0,4/0,19	0,57/0,34
Вносимые потери на сращивание на 1=1,3/1,55 мкм, дБ	-/-	-/-	—/—		0,1/0,12	-/-	0,05/0,04
Технология изготовления	MCVD	MCVD	MCVD	MCVD	POD	OVD	PCVD
оптической оболочкой и треугольной сердцевиной (рис. 4.4, и),
тройной оптической оболочкой (рис. 4.4, р), а также ОВ типа
DFSM II (рис. 4.4, с).

Оптические волокна с более чем двумя оптическими оболоч-
ками в значительной мере снижают потери от утечки оптиче-
ской мощности. Примером могут служить ОВ с квадруполь-
ными оболочками (Q-структура). При этом сердцевина и первая
(внутренняя) оптическая оболочка используются для снижения
дисперсии, в то время как вторая, третья и четвертая оболочки
могут быть использованы для уменьшения потерь в длинновол-
новой области. Для таких ОВ коэффициент широкополосное™
превышает 10 ГГц-км вблизи минимума дисперсии и остается
выше 50 ГГц-км во всем спектре от 1,31 до 1,6 мкм даже
для источника излучения со спектральной шириной 2 нм.
Допуск на ’размеры диаметра и профиля показателя пре-
ломления не должен превышать 5%. Минимальные потери
0,3 дБ/км достигаются для квадрупольной структуры на
А. = 1,52 мкм.

Одномодовые ОВ без сохранения поляризации излучения
нашли широкое применение для создания высокоскоростных
систем связи (от 140 Мбит/с до 20 Гбит/с). При этом длина
регенерационного участка может достигать 80 км.

Специально изменяя значения показателей преломления
в зависимости от радиуса ОВ, можно добиться пространст-
венного разделения мод по радиусу волокна. Это обеспечива-
ется путем создания потенциальных барьеров, в которых поле
имеет монотонно изменяющийся характер. Между потенци-
альными барьерами находятся волноведущие слои, где поле
распространяющихся мод имеет осциллирующий характер.
В идеале конструкция такого ОВ может обеспечить распрост-
ранение в каждом волноведущем слое преимущественно одной
моды при большой разности значений продольных волновых
чисел мод соседних слоев, что затрудняет их взаимное
преобразование при частичном переходе через барьер и наличии
в волокне нерегулярностей. Осуществляя дискретный съем
моды у каждого волноведущего слоя, можно организовать
многоканальную передачу информации по одному ОВ без
дополнительных оптических элементов [32, 33].

Международный консультативный комитет телефонной и те-
леграфной связи (МККТТ) разработал рекомендации G—652,
определяющие характеристики одномодовых ОВ без сохранения
поляризации излучения. Кроме международных организаций
вопросами стандартизации одномодовых ОВ занимается целый
ряд национальных комитетов [34].

Применение ОВ, например, в когерентных линиях связи
требует сохранение поляризации моды на больших расстояниях.
В идеальном (регулярном) одномодовом ОВ монохроматиче-
Рис. 4.7. Возникновение связи мод из-за изгиба одномодового ОВ

ская оптическая волна распространяется вдоль световода
с единой постоянной распространения, причем скорость рас-
пространения не зависит от азимутальной ориентации ее
электрического вектора [35]. Однако реальные волокна никогда
не бывают регулярными. Помимо микроскопических флюкту-
аций они обладают анизотропными свойствами, выражающи-
мися в нарушении круговой симметрии формы их поперечного
сечения (анизотропия формы) и анизотропией диэлектрической
проницаемости (показателя преломления). Кроме того, волокно
никогда не бывает идеально прямым при его эксплуатации
(аксиальная анизотропия) [36] и испытывает целый ряд
внешних воздействий (температура, изгибы, электрическое и ма-
гнитное поля и др.).

В регулярном одномодовом ОВ может распространяться
только линейно поляризованная НЕГ1 мода. Однако из-за
наличия нерегулярностей эта компонента поля может суще-
ствовать в двух ортогональных плоскостях НЕ1Г и НЕ^,
т. е. возникает раздвоение световых лучей при прохождении
через анизотропную среду—двойное лучепреломление, или
двулучепреломление (рис. 4.7) [37]. Между ортогонально
поляризованными модами существует связь, приводящая к по-
тере мощности передаваемого сигнала и искажению его формы.
Исключить это явление можно путем создания анизотропных
ОВ с заданными свойствами или же придавая ОВ строго
определенную пространственную форму.

Все это направлено на создание условий, при которых
разница коэффициентов фаз ортогонально поляризованных по
оси Д|3Х) и К(РУ) мод ДР = |₽х — PJ во много раз превышает
угловую пространственную частоту спектральной составляющей
аксиального распределения нерегулярностей Q [37, 38]. Малые
нерегулярности соответственно с малыми спектральными со-
ставляющими их аксиального распределения будут вызывать
слабое преобразование мод. Однако если угловая простран-
ственная частота некоторой спектральной составляющей близка
к Ар между связанными модами или же совпадает с нею,
i)

S (TlO2-SiO£)

S'(GeOz-SiOz')

Ge SiO^')

2(SiO,)

Рис. 4.8. Схемы конструкций одномодовых ОВ с сохранением поляризации
излучения:

а—с эллиптической сердцевиной (размеры сердцевины 2,2 х 4,1 мкм); б—с эллиптической
оболочкой (диаметр сердцевины 6—8 мкм, диаметр оптической оболочки 16 мкм, размер
эллиптической оболочки 26 x 80 мкм); в—профиль показателя преломления ОВ с эл-
липтической оболочкой; г—ж—то же с заданным механическим напряжением; / —
цилиндрическая защитная оболочка; 2—цилиндрическая оптическая оболочка; 3—эл-
липтическая сердцевина; 4—эллиптическая оптическая оболочка; 5—цилиндрическая
сердцевина; б—деталь для создания механического напряжения

то преобразование мод благодаря этой составляющей может
оказаться достаточно большим.

Анизотропия формы одномодового ОВ вызвана созданием
ОВ с эллиптичной сердцевиной (рис. 4.8, а).

Оптические волокна с эллиптичной сердцевиной [37, 39]
обеспечивают требуемое значение Ар за счет разности длины
пути луча ортогональных мод. Сердцевина выполнена из
кварцевого стекла (молярное содержание добавки двуокиси
германия ^ = 45%). Эллиптичность сердцевины определяется
как 5Э= [(ах—a^f{ax+ay)} 100%, где 2йх и 2ау—большая и малая
оси эллипса. Для сердцевины 5ЭС = 78%, а Д|3 тесно связа-
на с количеством легирующей добавки в сердцевине и
нормализованной частотой ОВ и составляет 8160 м-1 на
А,=0,633 мкм. Коэффициент передачи между ортогонально
поляризованными модами, определяемый как отношение мощ-
ности оптического излучения НЕ311(РХ) к мощности оптического
излучения HE^fPy), выраженное в децибелах, составляет минус
28 дБ на длине 500 м. Эллиптичность сердцевины является
причиной возникновения геометрического двулучепреломления,
характеризуемого параметром Вд [40, 41].

Некоторые параметры ОВ с эллиптической сердцевиной:

Большая ось эллипса, мкм .....................

Малая ось эллипса, мкм .......................

Диаметр кварцевой оптической оболочки, мкм..

Диаметр ОВ в защитном покрытии, мкм ..........

Отклонение от соосности сердцевины и оболочки,
мкм ...........................................

Коэффициент затухания, дБ/км .................

(61°) или (81°)

(3±1) или (4+1)
(80 ±3) или (125±3)

(200 ±30) или (230 + 30)

+ 2

5 (на Х=О,85)

и 2 (на Х=1,3 мкм)

Одномодовое ОВ с эллиптической оболочкой (рис. 4.8, б, в)
имеет: сердцевину из кварца, легированного GeO2 или Р2О5;
цилиндрическую оптическую оболочку из кварца для обеспечения
минимальных потерь на передачу; эллиптическую оболочку из
кварца, легированного В2О3 и GeO2; защитную кварцевую
оболочку. Эллиптичность оболочки может достигать 85%,
а молярное содержание в ней В2О3 может быть до 20%. Разность
постоянных распространения поляризованных мод в ОВ с эллипти-
ческой боросиликатной оболочкой в первом приближении линейно
зависит от частоты излучения и температуры. В свою очередь эти
параметры определяются линейной комбинацией параметров
кварцевого стекла, температурой размягчения боросиликатного
стекла оболочки (Т=800°С), разность ТКЛР стекол А ТКЛР
эллиптической и защитной оболочек, размерами полуосей эллипса.
Таким образом, модовым двулучепреломлением Bs можно
управлять, меняя эллиптичность и степень легирования (Bs > Вд).

Эллиптическая внутренняя оболочка из-за термоупругих
напряжений, вызванных наличием А ТКЛР, создает анизот-
ропию диэлектрической проницаемости в поперечном сечении
сердцевины О В, воздействуя на нее вдоль малой и большой
осей эллипса. Максимальный показатель преломления наблюда-
ется вдоль более короткой оси, а минимальный вдоль длинной
оси эллипса. Линейно поляризованная мода, направленная
вдоль большой оси эллипса, оказывается более замедленной.

Расчет механических напряжений в О В в зависимости
от размеров эллиптической оболочки (площади поперечного
91
(бх-|^)7МПа.	Рис. 4.9. Зависимость разницы механических на-

пряжений по осям X, Y одномодового ОВ с эл-
липтической оболочкой от ее эллиптичности 6Э о:
1 —/>,/4=0,5; 2—bjd=0,2; 3—bJd=0,875

сечения) и эллиптичности можно осу-
ществить методом конечных элемен-
тов. Принимаем модуль Юнга квар-
цевого стекла £SiO =74 ГПа, ко-
эффициент Пуассона 2ц = 0,23, а ТКЛР
вычисляем, пользуясь линейной ап-
проксимацией ТКЛРэ = ^ТКЛРв,Оз +
+(!-?) ТКЛРЯО2, где ТКЛРЭ,
ТКЛРп2оэ = 10“5 °C-1 и ТКЛРИО2 = 5 х
х 10“' °C-1—ТКЛР эллиптической
оболочки, стекла с легирующими до-
бавками В2О3 и SiO2 соответственно;
9 = 0,1—молярная доля легирующей
добавки В2О3.

На рис. 4.9 показана зависимость разницы механиче-
ских напряжений ОВ с эллиптической оболочкой от ее
эллиптичности. Площадь эллиптической оболочки при отно-
шении большой оси эллипса 26хэ к диаметру световода
2Ь менее 0,5 оказывает небольшое воздействие на воз-
никновение механических напряжений и, следовательно, вызы-
вает слабое двулучепреломление. Разница механических на-
пряжений, возникающая по осям А(ах) и ИсД почти линейно
зависит от эллиптичности оболочки 5ЭО и может быть
рассчитана как

^Ю2(ТКЛРЭ-ТКЛРО)7?Э.О
Оу	,

1-р
где Т—температура.

Зная (ох —ау), можно рассчитать двулучепреломление
Я«Ср(ах-а,,),

где Ср—коэффициент фотоупругости, С_ = 3,54-10“5 мм2/кг на
А,=0,6328 мкм.

Анизотропия диэлектрической проницаемости может встре-
чаться не только в поперечном сечении ОВ, но и вдоль его оси.

В световоде осевая анизотропия, возникающая в процессе
его изготовления при вытяжке из заготовок, довольно слаба.
Продольная составляющая поля моды весьма мала по срав-
нению с поперечными составляющими. Поэтому влияние
продольной анизотропии показателя преломления на посто-
янные распространения мод в ОВ слабее, чем влияние
поперечной анизотропии показателя преломления или анизо-
тропии формы, и этим влиянием можно пренебречь [36].
Чувствительность состояния поляризации к внешним воз-
действиям зависит от значения двулучепреломления В, которое
может быть большим (более 10-5), средним (10 7<£?<10-5)
и малым (менее 10“7). Двулучепреломление и обусловленная
им поляризованная дисперсия существенно влияют на инфор-
мационную полосу в линиях связи на основе одномодовых ОВ.

Наилучшие результаты для ОВ с эллиптической оболочкой
получены при эллиптичности 55%; молярном содержании
добавки 14%; диаметре сердцевины 6 мкм; относительной
разности показателей преломления сердцевины и оболочки
Ли = 0,45 %; отношении радиусов сердцевины и оптической
оболочки 0,5 и <7=150 мкм; ЛТКЛР=(9,5—10)• 10~7 °C-1 [37,
42]. При этом Д|3 = 5200 м-1 на А, = 0,633 мкм, коэффициент
затухания 0,56 и 0,47 дБ/км на длине волны 1,31 и 1,55 мкм
соответственно, модальное двулучепреломление Bs> 1,6 • 10-4 на
А, = 1,31 мкм. Коэффициент передачи составил минус 45 дБ на
длине 5 м; минус 32 дБ на 500 м и минус 23 дБ на длине 1 км.

В ОВ с заданными механическим напряжением типа Panda
применены создающие напряжение круглые или близкие к круг-
лому сечению детали (рис. 4.8, г—ж). Напряжения возникают
за счет введения в ОВ по обе стороны сердцевины на
некотором от нее расстоянии симметрично двух деталей. Эти
детали находятся внутри оптической оболочки и имеют ТКЛР,
превышающий ТКЛР оптической оболочки. При быстром
охлаждении в процессе вытяжки различие ТКЛР приводит
к возникновению остаточных напряжений, прикладываемых
к сердцевине, в результате чего в ней возникает некоторая
разность показателей преломления мод.

Выбор показателей преломления должен удовлетворять
следующим условиям (рис. 4.10): |3x/A:>KRe>$у/к, т. е. поля-
ризованная по оси X мода должна иметь малое затухание,
а по оси Y—большое (к=2п/с—волновое число в вакууме,
с—скорость света в вакууме) [43].

Для обеспечения этих требований сердцевина ОВ выпол-
няется из кварца, легированного GeO2. Цилиндрические детали
элементов, создающих напряжение, выполняются из кварца,
легированного В2О3 (молярная концентрация легирующей до-
бавки 15%). Оптическая оболочка изготовляется из чистого
кварца. Параметры ОВ: профиль показателя преломления
градиентный (рис. 4.11); Ди = О,83%; 2а0 = 8,2 мкм; 2Ь = 200 мкм;
^н/«>о = 5,1; bH/b = Q,5; эффективная длина волны отсечки
А.с = 0,87 мкм; Б=4,0-10“4; А,О = 1,56 мкм; коэффициент связи
мод /г = 1,53-10“6 м-1; разница групповых скоростей между
двумя поляризованными модами в интервале длин волн
1,2—1,78 мкм составляет 1,33 пс/км; дисперсия на длине
волны 1,3 мкм около 12 пс/(км-нм); коэффициент затухания
на А,= 1,56 мкм равен 0,27 дБ/км.
У

Рис. 4.10. Расчетная модель распределения показателей преломления в ОВ
типа Panda:

а—схема ОВ (и,—показатель преломления сердцевины, I равно х или у); б—распределение
действительной и мнимой частей показателей преломления по оси X; е—распределение
действительной и мнимой частей эффективного показателя преломления по оси X

Потери на поглощение группами1 ОН на X =1,39 мкм равны
1,24 дБ/км; коэффициент передачи —22 дБ [44]. Связь между
модами можно уменьшить, изменив соотношение г„/о)о Д° 3,5.

Возможны другие конструкции ОВ типа Panda, характеризу-
емые различными диаметрами сердцевины от 3 до 9 мкм,
оптической оболочки 125 мкм [21, 45], а также составом
оптической оболочки или цилиндрических деталей. В частности,

Рис. 4.11. Измеренный профиль пока-
зателя преломления одномодового ОВ
со смещенной дисперсией и сохране-
нием полимеризации типа Panda (см.

рис. 4.8, Э)
Рис. 4.12. Зависимость профиля пока-
зателя двойного лучепреломления по
быстрой (У) и медленной (У) осям
одномодового ОВ с сохранением по-
ляризации излучения (содержание
TiO2 = 3,6 мол%) от нормализованно-
го диаметра:

1—по оси X; 2—по оси У

Рис. 4.13. Зависимость показателя
двойного лучепреломления от моляр-
ной концентрации двуокиси титана
Л^тю2

в последнем случае можно использовать кварцевые стекла
с добавками А12О3 и MgO.

Первичные защитные покрытия для всех ОВ типа Panda
выполняют из кремнийорганического компаунда (диаметр
400 мкм).

Для одномодовых ОВ с сохранением поляризации излучения в
конструкции с заданным механическим напряжением (рис. 4.8, е)
сегментные элементы образованы кварцевым стеклом с добав-
ками диоксида титана. Ось, проходящая через слои, содержащие
TiO2, является «медленной» осью. На рис. 4.12 показан профиль
двойного лучепреломления по «быстрой» и «медленной» осям
одномодового О В со слоем TiO2. Двулучепреломление мод
возрастает с увеличением концентрации TiO2 (рис. 4.13).

Для конструкции одномодового ОВ, представленной на
рис. 4.8, г, характерно равенство показателей преломления
близкого к эллиптическому покрытия 4 и кварцевой оболочки
2. Геометрические размеры ОВ: 2й = 6,1 мкм; близкое к эл-
липтическому покрытие 23x71 мкм; 26=125 мкм.

Стабилизация двулучепреломления обычных одномодовых
ОВ с легированной GeO2 сердцевиной может быть получена
путем их закручивания на некоторый угол, определяемый
коэффициентом связи мод, частичного удаления оболочки
и плавного перехода к однородному ОВ.

В [46] приведены сведения о создании многоканальных
анизотропных одномодовых световодов с двумя и четырьмя
Рис. 4.14. Схематический чертеж конструкции 2-, 3- и 4-канальных анизотроп-
ных одномодовых ОВ:

У---оптическая оболочка; 2—эллиптическая сердцевина

идентичными слабосвязанными каналами в общей оболочке
из кварцевого стекла (рис. 4.14). Для этих световодов харак-
терно сохранение взаимной когерентности излучения в каналах,
одинаковая ориентация осей двулучепреломления в диамет-
рально противоположных каналах и азимутальная зависимость
относительного фазового сдвига в каналах при боковых
деформациях. Сердцевина ОВ выполнена из кварца, легирован-
ного GeO2, а оптическая оболочка из кварцевого стекла.
Оптическая • анизотропия обусловлена главным образом эл-
липтичностью сердцевины. На ориентацию двулучепреломления



Рис. 4.15. Конструкция одномодового ОВ с сохранением поляризации со
спиральным распределением сердцевины в оптической оболочке:

а схема заготовки; б—поперечное сечение ОВ со сплошной оптической оболочкой
(NA равно 0,2 или 0,3; 26=450 = 800 мкм; р= 1,6=4 мм; >‘=170=340 мкм); в—поперечное
сечение ОВ с цилиндрической оптической оболочкой (NA=0.22; 2Ь равно 200 или
450 мкм; р равно 1,8 или 2,0 мкм; г равно 750 или 194 мкм); 1—сердцевина из SiO,.

легированного GeO2; 2—кварцевая оптическая оболочка
и его значение также влияет взаимное расположение каналов,
поскольку сами каналы действуют как напрягающие и дефор-
мирующие элементы.

Изгибы ОВ являются одной из причин возникновения
анизотропии и двулучепреломления [47]. Используя это свойст-
во, можно изготовить конструкцию одномодового волокна со
спиральным распределением сердцевины в оптической оболочке
(рис. 4.15). Сердцевина может располагаться в оптической
оболочке плотно (рис.4.15, б) или свободно (рис. 4.15, в) [48].

4.4.	ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА С КВАРЦЕВОЙ
СЕРДЦЕВИНОЙ И ОПТИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКОЙ

В соответствии с [26] ОВ с кварцевыми сердцевиной
и оптической оболочкой имеют категорию А1 (градиентное)
и А2 (ступенчатое).

В табл. 4.3 и 4.4 приведены некоторые оптические и геометри-
ческие параметры ОВ, выпускаемые за рубежом и в нашей стране.

Таблица 4.3. Оптические параметры градиентных многомодовых
и одномодовых (без сохранения поляризации) ОВ

Параметр	Многомодовые (диаметр сердцевины 50 мкм)		Одномодовые	
	>.=0,85 мкм	>.= 1,3 мкм	X—1,3 мкм	>.= 1,55 мкм
Коэффициент затухания, дБ/км	2,4—5,0	0,6—1,5	0,35—0,6	0,22—0,35
Коэффициент широкополос- ное™, МГц-км	200—1000	200—1500		
Дисперсия, пс/(нм • км)	-—	—.	3—12	2,5—3,5
Длина волны отсечкг, мкм	—	—	1,1—1,28	1,28

Таблица 4.4 Геометрические параметры многомодовых и одномодовых
(без сохранения поляризации) ОВ

Параметр	Многомодовое с диаметром сердцевины, мкм					Одномодовое	
	50	62,5	85	100	200	>.= 1,3 мкм	>.= 1,55 мкм
Диаметр модового пятна  Диаметр оптической оболочки, мкм	125	125	125	140	280	9—11  125	9 или (7,0—8,3) 125
Параметр	Многомодовое с диаметром сердцевины, мкм					Одномодовое	
	50	62,5	85	100	200	"к—1,3 мкм	Х=1,55мкм
Относительная несоос- ность оптической обо- лочки, %  Некруглость сердцеви- ны, %	6	6	, 6	6	6	2	2
	6	6	6	6	6	6	—
Некруглость оптиче- ской оболочки, %	2	—	•—	—	—	—	—
Числовая апертура	0,2 или 0,23	0,29	0,26	0,29	0,30	0,09—0,11	—

Примечание. Параметры многомодового волокна с диаметром сердцевины 50 мкм
соответствуют требованиям рекомендации МККТТ G-651 и Публикации
МЭК 793-1, а одномодовою волокна на ?.= 1,3 мкм—требованиям
рекомендации МККТТ G-652 и Публикации МЭК 793-1.

Оптические волокна с большим диаметром оптической
оболочки имеют меньшие потери при воздействии осесим-
метричных нагрузок.

Многомодовые градиенты ОВ изготовляют в основном из
германосиликатного стекла. При этом коэффициент широко-
полосное™ в среднем составляет на А, = 0,85 мкм 450—500
МГц-км (лучшие образцы имеют коэффициент широкополос-
ное™ 0,9 ГГц • км) и в значительной степени зависит от
качества опорных кварцевых труб. Применение германосиликат-
ного стекла, легированного фосфором, позволяет уменьшить
эту зависимость и увеличить средний коэффициент широкопо-
лосное™ на длинах волн 0,85 и 1,3 мкм до 0,9 и 1 ГГц-км
соответственно [49 ].

Уширение импульса для широкополосных многомодовых
ОВ составляет около 0,2 нс на длине 1 км, для одномодовых
ОВ это значение на несколько порядков меньше.

4.5.	ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА С КВАРЦЕВОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ
И ПОЛИМЕРНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКОЙ

Оптические волокна с кварцевой сердцевиной и полимерной
оптической оболочкой [26] имеют категорию АЗ (ступенчатое).
В табл. 4.5 приведены параметры ОВ данного типа, выпуска-
емые в СССР и за рубежом.

Оптические параметры ОВ с кварцевой сердцевиной и по-
лимерной оптической оболочкой: коэффициент затухания от
3 до 50 дБ/км на А, = 0,82 мкм; коэффициент широкополосное™
от 9 до 50 МГц-км; NA от 0,3 до 0,4 [21].
Таблица 4.5. Геометрические размеры ОВ с кварцевой сердцевиной
и полимерной оптической оболочкой

Параметр	Диаметр сердцевины, мкм					
	125 + 5	200+10	300+12	400 + 15	600+24	1000 + 40
Диаметр по опти- ческой оболочке, мкм	300	360 + 40	440	600 ±50	820 ±10	1250
Несоосность серд- цевины и оптичес- кой оболочки, мкм	—	20	—	30	30	—
Диаметр защитно- го полимерного по- крытия, мм	0,420 ±0,03	0,6+0,10	0,65 + 0,05	0,90 ±0,15	1,200 ±0,01	1,55±0,1
Несоосность серд- цевины и защитно- го полимерного покрытия мкм		60		90	100	

4.6.	ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА С СЕРДЦЕВИНОЙ И ОПТИЧЕСКОЙ
ОБОЛОЧКОЙ ИЗ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО СТЕКЛА

Оптические волокна из многокомпонентного стекла не
находят столь широкого применения, как кварцевые ОВ и ОВ
с полимерной оптической оболочкой. В рекомендациях меж-
дународных организаций [26], а также национальных ор-
ганизаций этот вид ОВ не стандартизован. Достигнутый
минимальный уровень коэффициента затухания на А, = 0,85 мкм
составляет около 3 дБ/км.

К многокомпонентным можно также отнести ОВ, работа-
ющие в' среднем и дальнем ИК-диапазонах (от 2 до 20 мкм).
Эти ОВ основаны на фторидных и халькогенидных стеклах,
а также кристаллах галогенидов. Теоретические расчеты показы-
вают, что эти ОВ могут быть с успехом использованы для
создания сверхдальних систем связи.

В табл. 4.6 приведены данные некоторых типов многоком-
понентных ОВ. Градиентные многокомпонентные ОВ изготов-
ляют в основном из натрийборосиликатного стекла, включа-
ющего добавки оксидов Ge, Са, Na, К и Т1.

Таблица 4.6. Многокомпонентные ОВ со ступенчатым профилем показателя
преломления

Состав материала сердцевины волокна	Состав материала оптической оболочки	Числовая апертура	Коэффициент затухания, дБ/км
Na2O—В2О3— SiO2	Na2O—В2О3—SiO2	0,18	3,4
Na2O—Li2O—СаО—SiO2	Na2O—Li2O—CaO- SiO2	0,23	4,2
Na2O—CaO- SiO2	Na2O—CaO—SiO2	0,26	5,2
Состав материала сердцевины волокна	Состав материала оптической оболочки	Числовая апертура	Коэффициент затухания, дБ/км
Р2О5 — Ga2Oj —GeO2	Р2О5—Ga2O3—SiO2	0,30	8,5
Т12О—Na2O—В2О3—  —GeO2—ВаО—СаО—  —SiO2	Na2O—В2О3—SiO2	0,30	12,0
Na2O—BaO-GeO2 — — B2G3—SiO2	Na2O—B2O3—SiO2	0,40	9,8

Примечание. ОВ изготовлены методом двойного тигля.

4.7.	ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА С СЕРДЦЕВИНОЙ И ОПТИЧЕСКОЙ
ОБОЛОЧКОЙ ИЗ ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА

Оптические волокна с сердцевиной и оптической оболочкой
из полимсррого материала отнесены к категории А4 [26].
Полимерные ОВ могут иметь следующие параметры: 2Ь от
250 до 1000 мкм; NA~0,5 на А, = 0,65 мкм; профиль показателя
преломления—ступенчатый; коэффициент затухания для ОВ
с сердцевиной из полистирола и оптической оболочкой из
полиметилметакрилата 55 дБ/км на А=0,57 мкм и 114 дБ/км
на А=0,67 мкм. Для ОВ с сердцевиной из дейтрированного
полиметилметакрилата возможно снижение потерь до 9,1 дБ/км
на А = 0,68 мкм. Коэффициент затухания постоянен в диапазоне
температур от минус 40 до 130° С.

4.8.	КОНСТРУКЦИЯ ЗАЩИТНОГО ПОЛИМЕРНОГО ПОКРЫТИЯ

Значительное влияние на характеристики О В оказывает
конструкция защитного полимерного покрытия. Покрытие
должно обеспечивать сохранность собственной прочности ОВ,
защищать его поверхность от влаги, химических и механических
повреждений, осуществлять фильтрацию оболочечных мод
и предотвращать возникновение дополнительных потерь на
передачу, обусловленных микроизгибами.

Защитная оболочка ОВ из полимерных материалов в общем
случае имеет сложную структуру и состоит из первичного,
буферного и вторичного покрытий. Первичное покрытие за-
щищает оптическую оболочку ОВ, буферное—предотвращает
возникновение дополнительных потерь на микроизгибах. Вто-
ричное покрытие защищает первичное и буферное покрытия
от механических повреждений в процессе изготовления и про-
кладки ОК. Первичное и буферное покрытия наносятся в про-
Рис. 4.16. Конструкция защитного покрытия:

а—плотное наложение покрытия; б—трубчатое покрытие; 1—ОВ; 2—вторичное защит-
ное покрытие

цессе вытяжки ОВ, вторичное—методом экструзии при вытяж-
ке ОВ, если не осуществляется отдельная операция. Вторичное
покрытие может накладываться на ОВ плотно или в виде
трубки (рис. 4.16).

Первичное защитное покрытие наносится на оптическую
оболочку в виде лака с последующей полимеризацией. Несмотря
на его небольшую толщину (от единиц до десятков микрометров),
ПЗП существенно улучшает характеристики ОВ. Так,. ПЗП из
силиконового компаунда почти на 50% уменьшает чувствитель-
ность одномодового ОВ (в части стабильности фазы) к воздейст-
вию раздавливающих нагрузок. Это позволяет во многих случаях
использовать для передачи сигналов с повышенным требованием
к сохранению поляризации обычные одномодовые ОВ.

При воздействии раздавливающей нагрузки на ОВ с квар-
цевыми сердцевиной и оптической оболочкой с ПЗП в нем
возникают микроизгибы вследствие шероховатости поверхности
основания какого-то элемента кабельной конструкции (рис. 4.17)
[50]. С учетом жесткости ПЗП ОВ при изгибе, интенсивности
поперечной нагрузки на ОВ и неполного контакта ОВ с ос-
нованием можно рассчитать дополнительные потери в ОВ
при приложении раздавливающей нагрузки [51].

На практике все большее применение стали получать ОВ
с двуслойным покрытием, в которых первый слой выполнен
мягким (буферным) с низким (1—2 МПа) модулем Юнга,
а второй—с высоким модулем Юнга от 0,1 до 4 ГПа [52]

Рис. 4.17. Схема воздействия распреде-
ленной поперечной силы на ОВ:

1—ПЗП; 2—ОВ; 3—основание; 4—распреде-
ленная поперечная сила
Рис. 4.18. Зависимости &д (а), Доссж (б) и 6О (в) от поперечной сжимающей силы:
1—индентер; 2—внешняя защитная оболочка; 3—буферная оболочка; 4—световод

и наложен вокруг первого практически без промежутка, т. е.
плотно. Такая конструкция ОВ получила название ОВ с плотной
защитной оболочкой (ПЗО).

Мягкая буферная оболочка достаточно эффективно пре-
дохраняет световод от воздействия раздавливающих нагрузок
и обеспечивает малый прирост оптических потерь при изготов-
лении ОК и его эксплуатации. Из полученных результатов
(рис. 4.18) видно, что зависимость приращения затухания от
приложенной раздавливающей нагрузки можно разделить на
четыре характерных участка [53].

Участок I—зона нечувствительности к сжатию—харак-
теризуется упругой деформацией (высокой сопротивляемостью)
внешней оболочки. На участке I зависимость изменения
диаметра от приложенной раздавливающей нагрузки б9=/(Р)
имеет линейный характер. Остаточная деформация 8О отсут-
ствует (8О=/(Р)), Ласж^0.

Участок II—зона упругопластической деформации наруж-
ной полимерной оболочки. Буферный слой подвергается ин-
тенсивной деформации, наблюдается прирост затухания.

Участок III—на границе участков II—III наблюдается
излом зависимости Аасж=/(Р) вследствие разрушения буфер-
ного покрытия, что приводит к контактному взаимодействию
поверхности световода и внутренней поверхности внешней
защитной оболочки (скачкообразно на.два порядка увеличива-

ется модуль упругости материала элемента, контактирующего
со световодом). Изменение 89 определяется практически только
деформацией полиамидной оболочки, поскольку модуль уп-

ругости кварцевого стекла на два порядка превышает модуль
упругости материала внешней оболочки.

Участок IV—зона окончательного выдавливания материала'
внешней оболочки из зоны контакта и разрушение кварцевого

световода вследствие воздействия металлических индентеров
(Р=РК„= 120-4-150 кН/м, Ркр—нагрузка, вызывающая разруше-
ние ОВ).

Выбор материала и размеров вторичной (внешней) защитной
оболочки определяет оптические характеристики ОВ и их
стабильность во времени. При этом надо учитывать размеры ОВ,
числовую апертуру, размеры ВЗП и его материал. ОВ с большой
числовой апертурой менее подвержены воздействию микроизгибов.

Для ОВ с ПЗО основной причиной возникновения микроиз-
гибов является различие ТКЛР световода материала и материа-
ла защитных полимерных покрытий. Для ОВ в тонком ПЗП эта
разница не очень существенна, но при наличии ПЗО влияние
микроизгибов на оптические характеристики волокна велико.

Из-за разницы ТКЛР ПЗО и стекла на световод со

стороны покрытий действует осевая сжимающая сила Р,
которая вызывает добавочный изгиб оси ОВ и распределенные
поперечные нагрузки qi(z\ пропорциональные разного лщин-
ности ПЗО в каждой точке оси z.

Осевую сжимающую силу можно определить как

Р=0,25лб?с Edu.rdEТ,

(4.1)

где Ed—модуль Юнга материала ПЗО; o.Td—ТКЛР ПЗО;
dc—средний диаметр ПЗО; АТ—отклонение от средней тем-
пературы.

Для обычных конструкций Р%4ч-5 Н при Т=— 40° С
(АТ=60°С, материал ПЗО хайтрел, материал ОВ — кварц).

В (4.1) принимают во внимание только ТКЛР материала
ПЗО, который вносит наиболее весомый вклад в возникновение
силы Р. Однако в общем случае необходимо учитывать все
составляющие О В, которые в некоторых случаях могут сущест-
венно повлиять на возникновение микроизгибов. С учетом
последнего эффективное значение ТКЛР ОВ в ПЗО будет
определяться как средневзвешенная величина:

+ АсЕса.тс + AdEdu.Td

“Гэф = AbEb + AcEc+AdEd

(4.2)

где А, Е и ат—площадь, модуль Юнга и ТКЛР соответственно,
а индексы b, с, d соответствуют световоду, буферу и ПЗО.
Рис. 4.19. Микроизгиб ОВ в ПЗО:

/—световод диаметром 2Ь; 2—буферное
покрытие диаметром 2с; 3—ПЗО диамет-
ром d

В общем виде первоначальные пространственные изгибы
оси ОВ в ПЗО, вызванные случайными причинами при
нанесении защитной оболочки, можно выразить как

Qo(z)=Qx(z)+iQy(z),	(4.3)

где Qx(z) и Qy(z)—смещение оси волокна относительно центра
защитного полимерного покрытия в плоскостях XOZ и YOZ
соответственно.

Для конструкции, представленной на рис. 4.19, радиус изгиба
ОВ в ПЗО

д2у
dz2

1 _4е

R~1T2

(4-4)

где Еь—модуль Юнга световода при пониженной температуре.
Обычно 7?=0,11,0 м; е—отклонение от центра ПЗО (экс-
центриситет).

Потери в ОВ определяются его пространственным рас-
положением. Центральная линия ОВ определяется

(4-5)

где Q—угловая пространственная частота.

Используя дифференциальное уравнение, описывающее из-
гиб балки, найдем

л , р дУь , „д2Уь о /	\

где Рс—эффективный модуль буферного слоя,
рс=4£^/(с-Л).

Решая (4.5) и (4.6), получим
л(П)=^(^аиЛТД(П),
где

в М=—т——7—-—i;

* ’ 1+(П/^4(1-Р/ЛР)

(4.6)

(4.7)

(4-8)
ЛР=хЖЕЛ[(^)2+дат)“2];

Ec—модуль Юнга материала буферного слоя;
«т=[₽с/(ЗД]0’25;

1Ь—момент инерции световода,

Ib = ^j4.

(4.9)

(4-Ю)

Дополнительные потери от микроизгибов в первом при-
ближении пропорциональны квадрату средней кривизны оси
волокна. С учетом пространственного спектра кривизны оси
световода, определяемого пространственной частотой (минуя
промежуточные вычисления), запишем выражение для определе-
ния дополнительных потерь, см-1, от воздействия пониженной
температуры:

a=^a|d(A7)2

c2(Qp) EdEc
8£2 L(c-fe)£^

aC0
fc3A5’

(4.H)

где Q0 = x/2A/a; А = (и2—и*)/2и2; a—радиус сердцевины ОВ;
па—показатель преломления сердцевины; пь—показатель пре-
ломления оптической оболочки; Со — постоянная; 8—коэф-
фициент, зависящий от диаметров ОВ и сердцевины.

Анализ полученных результатов показывает, что чем мягче
материал буфера, тем меньше значения Ркр и B(Q). Уменьшения
влияния отрицательных температур на ОВ можно достигнуть,
применяя материал ПЗО с малым ТКЛР и малым модулем
упругости. Следует уменьшить площадь ПЗО и снизить
значение эксцентриситета между осями световода и ПЗО. Это
подтверждается результатами испытаний ОВ с буферной обо-
лочкой и ПЗО на воздействие осесимметричных нагрузок.
С увеличением объема кварца при постоянных значениях
диаметров буферной оболочки и ПЗО зависимость коэффици-
ента затухания от осесимметричных нагрузок уменьшается.
Световод практически не зависит от воздействия на него
данного вида нагрузки, так как отсутствует основная причина,
их вызывающая,—защитная полимерная оболочка и сущест-
вующие в ней нерегулярности.

Другой причиной, кроме различия ТКЛР стекла и защитной
полимерной оболочки, снижающей достоинство ПЗО, является
усадка полимерных материалов. Этот эффект сделал невозмож-
ным увеличение модуля Юнга внешнего полимерного покрытия
из-за ориентирования молекул (вытяжки) при экструдировании.

Диаметр ОВ по ПЗО обычно составляет 0,5—2 мм. При
оценке поведения ОВ в трубчатой защитной оболочке (ТЗО)
необходимо учитывать различие поведения световода и по-
лимерной трубки при воздействии внешних факторов по
сравнению с ОВ с ПЗО.
1

2

2

Рис. 4.20. Схема расположения ОВ (7) в ТЗО (2)

В идеальном случае световод в ТЗО расположен гелико-
идально (рис. 4.20). При этом потери на излучение для
одномодового кварцевого ОВ можно записать [54]

2 Г 5	\0,5 nr f 2/ A \0,5 ли-2}

аА0,5р3 (1 +8)0-5/ U* еХР I 3 \Г+8J	тшУJ ’

(4Л2)

где а = 25 мкм; Д=1%; 8 = 2(0р/0£.)2(1,7и’)2- 0р = 2лг/р;-
0с—критический угол падающего луча; р — шаг геликоиды;
г—амплитуда геликоиды; j = (4n2r2+p2)1 , U и w—модовые
параметра ОВ; V—параметр, характеризующий ОВ.

Расчетные значения потерь приведены на рис. 4.21. Для
многомодового ОВ очень резкое увеличение потерь будет
наблюдаться при р менее 2 мм.

Изогнутые ОВ более подвержены влиянию температуры,
чем ОВ в прямом состоянии, особенно ОВ с кварцевой
сердцевиной и полимерной оптической оболочкой.

На практике топология световода далека от идеального
случая из-за неравномерности толщины стенок полимерной
трубки, изгиба ОВ и связи мод при скрутке ОВ с ТЗО в ОК.
Для градиентного ОВ с кварцевыми сердцевиной и оптической
оболочкой среднее значение дополнительных потерь из-за
случайных изгибов (промежуточные вычисления не приводятся)

а =

11,6а2е3
А2г3

%,

(4.13)

где % —безразмерный статический параметр, характеризующий не-
однородность изгиба световода; ех—избыточная длина световода
в ТЗО (ех^0,5%). Можно предположить, что % зависит от коэффи-
циента трения между световодом и ТЗО, продольной жесткости
световода и дефектов в ПЗП и несовершенства геометрии ТЗО.

Проведенный анализ показал, чго на % в значительной мере
влияет материал ПЗП и очень мало материал ТЗО. Материал
ПЗП должен быть гладким с малым коэффициентом трения
Это уменьшает потери. Жесткий материал ПЗП может привести
к большим неоднородностям и нелинейностям световода, так
как увеличивается ед, а в результате увеличивается у.
Рис. 4.21. Зависимость оптических потерь в геликоидальном изогнутом одно-
модовом ОВ без сохранения поляризации от шага геликоиды при следующих
значениях г, мкм:

7 — 1; 2 10; 3—50; 4—100

Рис. 4.22. Зависимость дополнительных потерь в градиентном кварцевом
волокне с ТЗО от избыточной длины для различных значений радиусов
изгиба световода, мм:

/—0,1; 2—0,2; 3—0,3; 4—0,4; 5—0,5; <5—0,6; 7—0,8; S—1; 9—1,2; 70—1,5; 77—2
(% = 0,2; 2а=50 мкм, Д-1%)

Сильное встряхивание световода с ТЗО приводит к
уменьшению % (приблизительно на 25% по сравнению с его
первоначальным значением). Встряхивание приводит к вы-
прямлению световода и уменьшению в нем напряжений.
Безразмерный статический параметр зависит от того, уве-
личивается или уменьшается избыточная длина. Например,
% измерялся при циклическом изменении ех от 0 до 0,5%
и снова до 0 в точке 0,3%. Значение х03пр в прямом
направлении (от 0 до 0,5%) больше на 35%, чем в обратном
Хо.зобр (от 0,5% до 0). Это объясняется тем, что в об-
ратном направлении процесс снижения напряжения в местах
изгибов с малым радиусом происходит намного скорее, чем
при прямом ходе, когда нерегулярности создаются. Это яв-
ление имеет место и при воздействии смены температур
в кабелях с ТЗО.

Используя эту модель, можно рассчитать дополнительные
потери а в зависимости от избыточной длины ех для различных
значений г (рис. 4.22). Так как в реальном случае г = 0,3 4- 0,5 мм,
то ех должно быть около 0,1%, чтобы а<1 дБ/км.
Для снижения дополнительных потерь можно увеличить
диаметр ТЗО, что не веет та возможно из-за ограничения
размеров ОК, или уменьшить коэффициент трения между
ПЗП и ТЗО (например, талькирование). Случайные изгибы
можно свести до минимума использованием ОВ с малым
диаметром сердцевины или большой числовой апертурой.

С уменьшением температуры окружающей среды избыточ-
ная длина ОВ

ех~(атзо—аов)(^о~ х!зо(^о— ^)’	(4.14)

где атзо и аов—ТКЛР ТЗО и ОВ; То — температура, при
которой ех=0.

Из (4.13) следует, что а пропорциональны перепаду тем-
ператур в кубе, следовательно, предпочтение необходимо
отдавать материалам ТЗО с минимальным значением 71Ю.

Оптическое волокно в ТЗО лучше противостоит воздействию
механических нагрузок. Крутящие нагрузки на ОВ в ТЗО
практически не оказывают воздействия вне зависимости от
материала полимерной оболочки. Это обусловлено возмож-
ностью свободного перемещения ОВ и ТЗО относительно
ДРУГ Друга. Проведенные эксперименты показали, что 50-
крагное закручивание ТЗО на длине I м в одну сторону не
приводило к увеличению коэффициента затухания.

Стойкость к растягивающим нагрузкам также не зависит
от материала ТЗО. Она в основном определяется относитель-
ным удлинением ОВ, которое для кварцевого световода
составляет 0,5— I %, и избыточной длиной ОВ внутри ТЗО.

Раздавливающие нагрузки наиболее часто встречаются при
изготовлении и эксплуатации ОК. Исследования поведения ГЗО
при воздействии раздавливающих нагрузок показали следующее:
стойкость ТЗО определяется модулем Юнга, а также пропорцио-
нальна диаметру ТЗО; увеличение внутреннего диаметра умень-
шает приращение коэффициента затухания; наилучшие оптичес-
кие характеристики ОВ в ТЗО наблюдаются при диаметре ТЗО
от 1,5 до 2 мм (с учетом массогабаритных показателей ОК).

ГЛАВА ПЯТАЯ

КОНСТРУКЦИИ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ

5.1.	КЛАССИФИКАЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ

Оптические кабели разделяют по следующим признакам:
на группы по назначению и условиям применения; на подгруп-
пы по способу прокладки (стационарный С, нестационарный
Н) и конструктивным и технологическим особенностям (опре-
деляется номером разработки); на виды—по количеству ОВ
(и) и электрических жил (т). Пример деления ОК на группы
приведен ниже [21]:

По ГОСТ 26793—85

По публикации МЭК 794-1

Магистральный (Л)..................

Зоновый (3)........................

Городской (К) .....................

Полевой (П)........................

Подводный грузонесущий (Г).........

Подводный негрузонесущий (Н).......

Для стационарных объектов и сооруже-
ний (С)............................

Для подвижных объектов (Б).........

Специальный для дистанционного упра-
вления (Д).........................

Монтажный (М)......................

Шнур (Ш)...........................

Для прокладки в земле

Для прокладки в коллекторах или
трубах

Полевой

Подводный

Подводный (для относительно ко-
ротких водных преград)

' Внутриобъектовый

Для воздушной прокладки

Специальный

Монтажный

В общем случае сравнение по группам, установленное
ГОСТ и Публикацией МЭК, достаточно условно, так как
требования, предъявляемые к каждой группе кабелей в нашей
стране и за рубежом, различаются в значительной степени
как по уровню параметров, так и по их комбинации.

Однако такое сравнение позволяет выделить типовые кон-
струкции, достаточно характерные для каждой группы, и про-
вести их анализ. Выбор той или иной конкретной конструкции
в пределах одной группы или вида зависит от многих
переменных и определяется параметрами передачи, внешними
воздействиями и стоимостью.

Деление ОК по подгруппам по таким признакам, как
способ прокладки и технологические особенности, достаточно
сложно. Прокладка ОК может выполняться механизированным
способом и вручную с использованием различных видов
транспорта, специализированных канавокопателей и тяговых
устройств.

Все конструкции кабелей с технологической точки зрения
в основном можно разделить на следующие типы (рис. 5.1):

I—О В 1 в ПЗО скручены вокруг центрального силового
элемента 2 с внешней оболочкой поверх скрутки 3 (рис. 5.1, а);

II—ОВ 4 в ТЗО скручены вокруг центрального силового
элемента 2 с внешней оболочкой поверх скрутки 3 (рис. 5.1,а);

III—конструкция ленточного ОК (рис. 5.1,6);

IV—ОК с профилированным сердечником 5 (рис. 5.1,в);

V—трубчатая конструкция ОК, в которой ОВ 1 или
4 располагаются вместе с силовым элементом 2 в общей
оболочке 3 (рис. 5.1,г).
Рис. 5.1. Конструкции ОК:
конструкции I или II; 6—конструкция III; в—конструкция IV; г—конструкция V

Рассмотренные конструкции кабелей могут служить основой
я изготовления более сложных конструкций ОК с количе-
зом ОВ несколько десятков и даже сотен.

5.2.	ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ ДЛЯ ПРОКЛАДКИ В ЗЕМЛЕ,
В КОЛЛЕКТОРАХ И ТРУБАХ

Оптические кабели для организации магистральной и зо-
зой связи можно прокладывать в грунтах всех категорий
раничение может быть наложено на грунты, подверженные
эзлотной деформации), в кабельной канализации, трубах,
ж ах и коллекторах, а также в воде в диапазоне температур
-40 до +55° С.

Примером конструкции ОК для прокладки в земле может
жить кабель, представленный на рис. 5.2—5.4.

Оптические кабели для городских телефонных сетей, для
жладки в телефонной канализации, трубах, блоках и кон-
торах ручным и механизированным способом эксплу-
руют в диапазоне температур от —40 до +55° С.
ювным требованием к ОК является их механическая
Рис. 5.2. Конструкция ОК для прокладки в земле с профилированным
сердечником:

а—с двумя профилями; б—с пятью профилями; 1—полимерный сердечник; 2—спираль-
ные пазы; 3—центральный армирующий элемент (медная проволока); 4—полимерная
лента с шестью градиентными ОВ (а) или десятью одномодовыми ОВ (б); 5—ОВ;
6—ленточный провод с шестью медными жилами; 7—токопроводящая жила; 8—
скрепляющий элемент в виде обмотки из полимерных лент; 9—сварная защитная алю-
миниевая оболочка; 10—промежуточная полимерная оболочка; 11—гофрированная сталь-
ная оболочка; 12—внешняя защитная полимерная оболочка; 13—пакет из 10 лент с ОВ

стойкость к растягивающим и изгибающим нагрузкам,
продавливанию, кручению, герметичность. Конструкция ОК
(рис. 5.5) содержит сердечник с армирующим элементом
1 в виде упрочняющих синтетических нитей или стального

Рис. 5.3. Конструкция ОК для прокладки в земле на основе ленточных
элементов (ЛЭ):

а~ЛЭ закручены вокруг оси ОК; б—ЛЭ скручены вокруг центрального силового
элемента; 1—ЛЭ; 2—скрепляющий элемент в виде обмотки лентами; 3—защитная
оболочка из полиэтилена; 4—подушка из полиолефиновых жгутов; 5—армирующие
элементы (стальная проволока); 6—защитная полимерная оболочка; 7—центральный
силовой элемент
Рис. 5.4. Конструкция ОК для прокладки в земле с профилированным
сердечником:

1—ОВ; 2—профилированный сердечник; 3— обмотка полимерной лентой; 4—оболочка из
поливинилхлорида; 5—броня из стеклопластиковых элементов или жгутов из технической
стеклонити в оболочке из полиэтилена (возможна укладка изолированных токопроводящих
жил и стальных армирующих проволок); 6—оболочка из полиэтилена; 7—армирующий
элемент из высокопрочных синтетических нитей или стеклопластика

Рис. 5.5. Конструкция ОК для прокладки н коллекторах и трубах

гроса в полимерной оболочке 2, вокруг которого скру-
тены ОВ с ТЗО 3 и 4 соответственно. Возможно введение
между скрученными элементами корделей—заполнителей (на
рисунке не показаны). Предусмотрено выполнение конст-
рукций с герметизацией ОВ путем заполнения трубок гид-
рофобным составом. Поверх скрутки ОВ накладывают скреп-
тяющий элемент 5 из полимерной пленки или алюмополи-
кгилена, первую полимерную оболочку 6, армирующие
>лементы 7 (при необходимости) и наружную полимерную
>болочку 8.

Рис. 5.6. Конструкция ОК с профилированным сердечником:

—одномодульная конструкция; б—многомодульная конструкция; I—защитная оболоч-
Ц 2—скрепляющий элемент, 3—армирующий элемент; 4—ОВ; 5—сердечник с пазами;

6—токопроводящая жила; 7—металлическая защитная оболочка
Возможно применение ОК конструкции, представленной на
рис. 5.6. Такие типы кабелей нашли широкое применение и для
прокладки в земле (табл. 5.1).

Таблица 5.1. Некоторые характеристики ОК, применяемых в СССР
для прокладки в земле, коллекторах и трубах

Область применения	Тип ОВ (коли- чество волокон в ОК)	Коэффициент затухания, дБ/км (длина волны, мкм)	Коэффициент широкополос- ное™, МГп-км (длина регенера- ционного участ- ка, км)	Допустимое растягивающее усилие, кН (масса ОК, кг/км)
Городскаи сеть	Градиентное	5; 3	500 (12)	1,2 (140)
	(4; 8)	(0,85)  1,0 (1,3)	800 (16)	
Зононая сеть	Градиентное	0,7-1,5	800 (20—36)	3 (370)
	(4; 8)	(1,3)		
	Одномодовое	0,4—0,7	5000	3 (320—380)
	(4; 8)	(1,55)	(30—70)	
Магистральная	Одномодоное	0,4—0,7	5000 (30—70)	3 (320—380)
сеть	(4; 8)	(1,55)		

5.3.	ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ ДЛЯ ВОЗДУШНОЙ
ПРОКЛАДКИ (КАБЕЛИ С НЕСУЩИМ ТРОСОМ)

Для прокладки ОК в сельских районах, а также для
устройства переходов от одного здания к другому можно
применять ОК с несущим тросом. Примером такой конст-
рукции является кабель, представленный на рис. 5.7. Кабель
можно эксплуатировать при температуре от —30 до +50° С.

Важным параметром данной подгруппы кабелей является
их стойкость к воздействию вибрации, возникающей под

G)	5)

Рис. 5.7. Конструкция ОК с несущим тросом:

а—со сплошной оболочкой; б—с оболочкой, полученной обмоткой из лент; /—ОВ с ТЗО;
2—сердечник с армирующими элементами; 3—демпфирующее заполнение; 4—стальной
трос; 5—внешняя оболочка ОК; б—скрепляющий элемент из профилированной ленты из
полимера или алюминиевой фольги; 7—внутренняя оболочка; 8—внешняя оболочка
заготовки с ОВ; 9—внешняя оболочка троса
Рис. 5.8. Конструкция ОК с
несущим тросом из неметал-
лических элементов для воз-
душной поднески

димерная оболочка ОВ

действием ветра и вызывающей мо-
дальные шумы и нестабильность за-
тухания.

На рис. 5.8 представлена конст-
рукция ОК, в которой несущий трос
выполнен распределенным равномер-
но по сечению ОК из неметаллических
элементов, что позволяет устанавли-
вать кабель непосредственно на опо-
рах ВЛ высокого напряжения. Два
ОВ 4 расположены вдоль сердечника
из полимерного материала 5, явля-
ющегося одновременно армирующим
элементом. Вторичная защитная до-
выполнена в виде ТЗО. Сердечник

и ОВ в ТЗО скреплены полимерной лентой и помещены
внутрь первой оболочки ОК из полиэтилена 3. Поверх
этой оболочки накладывают слой из высокопрочных син-
тетических нитей 2. Внутри внешней оболочки ОК 1 (вы-

полнена из прлиэтилена) равномерно размещены армирующие
элементы 6. Максимальное расстояние между точками подвеса
кабеля 200 м.

Если необходима большая длина пролетов и существует
возможность внешних повреждений, то ОК встраивают в ка-
честве центрального элемента внутрь стального троса (рис. 5.9).

Оптические волокна не подвержены влиянию сильных
электромагнитных полей, поэтому разработаны и используются
конструкции алюминиевых проводов или проводов на основе
его сплавов для ВЛ высокого напряжения, внутри которых
расположены ОВ (рис. 5.10).

Рис. 5.9. Конструкции ОК, встроенных в заземляющий трос (а), фазный провод
(б):

I—проволока из сплава альдрей; 2—оболочка из полиэтилена; 3—ОВ в ТЗО;
4—сердечник из полимерного материала; 5—стальной трос; б—медные изолированные
токопроводящие жилы; 7—алюмополиэтиленовая лента; 8—проволоки из сплава альдрей
Рис. 5.10. Конструкция алюминиевых проводов ВЛ высокого напряжения с ОВ:
1—жилы из алюминиевого сплава; 2—U-образный элемент из алюминиевого сплава;

3—ОВ

Рис. 5.11. Конструкция ОК для воздушной про-
кладки:

I—сталеалюминиевая проволока; 2—сегмент из алю-
миния или его сплава; 3—алюминиевая трубка со
свободным расположением ОВ или ОК

В конструкции, представленной на рис. 5.11, ОВ размещено
внутри * тонкой алюминиевой трубки или трубки из сплавов
алюминия.

5.4.	ПОЛЕВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ

Полевые ОК подвергаются целому комплексу внешних
воздействий, включающих, например, такие, как размотку,
изгибы, кручение и раздавливание при отрицательных тем-
пературах. Кроме того, воздействие солнечного излучения,
широкого интервала температур от —60 до +(70—80)° С,
минимальные масса и габаритные размеры заставляют очень
тщательно выбирать конструкцию (рис. 5.12) и применяемые
материалы.

В полевых ОК обычно не содержатся металлические
элементы. Для придания им повышенной стойкости к воз-
действию отрицательных температур применяют стеклопла-
стиковые элементы (рис. 5.12). Комбинация стеклопластико-
вого элемента с высокопрочными синтетическими нитями
Рис. 5.12. Конструкция полево-
го ОК:

а—с симметричным расположением
стеклопластиковых элементов (коли-
чество стеклопластиковых элементов
2 и 4); б—с профилированным
сердечником; в—с профилирован-

ным сердечником и дополнительными
из армирующих синтетических нитей;

армирующими нитями; I—ОВ; 2—заполнение
3—стеклопластиковый элемент; 4—оболочка;

5—профилированный сердечник; 6—обмотка полимерной лентой

5)

Рис. 5.13. Конструкция полевого ОК:

а—трубчатая конструкция с внутренним расположением армирующих элементов; б—то же
с внешним расположением армирующих элементов; в—конструкция с плотным наложени-
ем оболочек и внешним расположением армирующих элементов; I—ОВ; 2—армирующий
элемент (в виде пучка армирующих синтетических нитей или свободно распределенных
внутри оболочки); 3—внутренняя оболочка; 4—внешняя оболочка (для конструкции
а может отсутствовать); 5—оплетка или обмотка армирующими синтетическими нитями
(рис. 5.12,в) обеспечивает высокую устойчивость ОК к сжи-
мающим и растягивающим нагрузкам.

Более простые с технологической точки зрения конструкции
представлены на рис. 5.13.

Возможно в конструкции (рис. 5.13,6) размещение внутри
ТЗО от 1 до 10 ОВ, выполнение полевого ОК по типу
конструкции II (см. рис. 5.1,а); с двумя оболочками.

5.5.	ПОДВОДНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ

Конструкция подводных ОК—одна из наиболее сложных.
Подводные ОК делят на ОК с ретрансляторами и без них.

Подводный ОК без ретрансляторов (рис. 5.14) предназначен
для прокладки на небольшие расстояния. Его можно применять
для преодоления небольших водных преград (реки, озера, каналы
и пр.). Предполагаемая длина такого ОК не превышает 50 км.

Подводный ОК с ретрансляторами используется для переда-
чи на большие расстояния для прокладки на глубине и на
мелководье (рис. 5.15).

При конструировании подводных ОК связи приходится учиты-
вать такие требования, как гибкость, прокладка и извлечение со
дна и из траншеи на дне, подвеска к бонам при починке,
простота и быстрота починки в условиях сильного волнения моря.

Для любой подводной системы кабели отличаются конст-
руктивно в зависимости от места их прокладки: глубоководные
с защитой от значительного гидростатического давления; для
прокладки в мелководных местах с защитой от сетей и якорей;
кабели для прибрежной прокладки с повышенной механической
защитой и кабели для прокладки в земле, траншеях к рас-
пределительному пункту для подсоединения к наземной сети.

В качестве передающей среды используют ОВ одномодовое
на основе кварца диаметром по оптической оболочке 125 мкм
и сердцевиной диаметром 8 мкм. Возможно использование
градиентных ОВ.

Рис. 5.14. Конструкция подводного ОК
без ретранслятора:

I—внешний слой армирующих проволок; 2—
внутренний слой армирующих проволок; 3—
оболочка; 4—медная трубка; 5—полиэтилен;

6—ОВ; 7—внутренний проводник
Рис. 5.15. Конструкция подводного ОК с ретрансляторами:

1—внешняя оболочка; 2—внутренняя оболочка (из полиэтилена); 3—армирующие
элементы из стальной проволоки, скрученные в разные стороны; 4—медная трубка;
5—нейлоновая оболочка; 6—ОВ; 7—внутренний проводник; 8—медный профилирован-
ный сердечник; 9—полиэтиленовая лента; 10—армирующие элементы, скрученные в одну
сторону

Уменьшение влияния гидростатического давления на ОВ
возможно благодаря конструкции кабеля—полой трубки, ко-
торая выполняется из металла и несет на себе функции
токопроводящей жилы. Сечение трубки и ее размеры часто
определяет не давление, а требование по передаваемой элек-
трической мощности. Трубку довольно часто выполняют из
меди или из алюминия.

Кроме того, защиту от гидростатического давления можно
осуществить путем применения обмотки стальными проволо-
ками, которые образуют прочную конструкцию. Оптимальное
число проволок 12. Токопроводящие жилы, по которым
осуществляют питание усилителей ретрансляторов, должны
иметь сопротивление постоянному току 1 Ом/км и выполняться
из алюминия, так как масса кабеля является определяющим
фактором для данной области применения.

Для унификации конструкция глубоководного ОК принята
за базовую, которая при наложении брони и прочих элементов
последовательно превращается в ОК для прокладки на мел-
7

Рис. 5.16. Конструкция грузонесущего плавучего ОК:

I—ОВ; 2—медная жила; 3—профилированный сердечник; 4—обмотка фторопластовой
лентой; 5—оболочка из полиэтилена; 6—электрические проводники; 7—кордели; 8—
обмотка лентой; 9—грузонесущие элементы из синтетических нитей

ководных местах, ОК для прибрежной прокладки, ОК для
прокладки в земле.

Для некоторых случаев можно применять грузонесущий
плавучий ОК (рис. 5.16).

5.6.	ВНУТРИОБЪЕКТОВЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И МОНТАЖНЫЕ
ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ

Возможная конструкция кабеля для внутриобъектовой про-
кладки показана на рис. 5.17. Основной характеристикой дан-
ного вида ОК являются минимальные геометрические размеры
в сочетании с достаточно высокой механической прочностью.
Для изготовления ОК применяются ОВ с ПЗО, что значительно
уменьшает его диаметр.

Для прокладки в пожароопасных помещениях может быть
применена конструкция, представленная на рис. 5.18. В этой
конструкции использовано ОВ в полиакрилатном покрытии,
которое обладает лучшей стойкостью к воздействию пламени.
ОК для внутриобъектовой прокладки нашли широкое примене-
ние в телевидении. На рис. 5.19 изображена конструкция ОК
для подсоединения телевизионной камеры. ОК предназначен
для работы в интервале температур от —40 до +70° С.

Станционные кабели для прокладки внутри телефонных
станций обычно выполняют одноволоконными по конструкции,
представленной на рис. 5.1, г (с одной оболочкой) или 5.13, б
(с двумя оболочками).
Рис. 5.17. Конструкция ОК для внутриобъектовой прокладки (для стационарных
$ и подвижных объектов и сооружений):

а—повивной скрутки; б—с закрытым пазом; 1—ОВ; 2—сердечник; 3—оболочка из
пористого полимерного материала; 4—защитная оболочка; 5—кордель; б—армирующий
элемент (стальная проволока); 7 -сердечник с закрытыми пазами; 8—закрытый паз;
9—стальная оплетка

Для стационарных объектов можно применять ОК с про-
дольной герметизацией. Конструкция кабелей соответствует
типу I (рис.*5.1,а).

К специальным ОК наряду с требованиями к минимальным
размерам, гибкости, стойкости к многочисленным операциям сма-
тывания и разматывания (высокой гибкости), эксплуатации при
весьма значительных сменах температур предъявляются повышен-
ные требования к механической стойкости. Растягивающие усилия

Рис. 5.18. Конструкция ОК для прокладки н пожароопасных помещениях:

I—ОВ; 2—ТЗО с гидрофобным заполнением; 3—обмотка слюдяной лентой; 4—
центральный силовой элемент; 5—обмотка стеклолентой; 6—внутренняя оболочка ОК;
7—обмотка стеклолентой; 8—алюминиевая фольга; 9—внешняя оболочка

Рис. 5.19. Конструкция ОК для подсоединения телевизионной камеры:

1—оболочка ОК; 2—ОВ с ТЗО; 3—токопроводящая жила для цепи питания; 4—
служебные и заземляющие токопроводящие жилы; 5—сердечник; 6—токопроводящие
жилы для передачи высокочастотного сигнала
Рис. 5.20. Конструкция ОК для специ-
альных целей:

а—одноволоконный с ОВ в ПЗО; б—ОВ
с ПЗО (габаритные размеры 3x6 мм);
в—ОВ с ТЗО (габаритные размеры
4,5x14 мм); 1—ОВ; 2—ПЗО из нейлона;
3—армирующая оболочка из синтетических
нитей, пропитанных лаком; 4—шланг; 5—
армирующий стальной или стеклопласти-
ковый элемент; 6—ТЗО из смеси поли-
этилена с полипропиленом

Рис. 5.21. Конструкция ОК для
внутриблочного и межблочного мон-
тажа:

а—одноволоконный; б—двухволоконный;
I—ОВ; 2—оболочка; 3—армирующая
стальная проволока; 4—армирующие син-
тетические высокопрочные нити (для одно-
волоконного ОК наличие в конструкции
не обязательно)

могут достигать 2,5—3 кН при длине кабеля 5—10 км. Постав-
ленную задачу решают путем введения дополнительных армиру-
ющих элементов в сердечник и кордель (рис. 5.20).

Монтажные ОК выполняются в основном одно- или
двухволоконными (см. рис. 5.1,г, 5.13,6, 5.21, 5.22). Возможно

Рис. 5.23. Конструкция ОК для
внутриблочного и межблочного мон-
тажа для работы в диапазоне тем-
ператур от —60 до +85° С:

1 —два ОВ; 2—профилированный сердечник;
3—обмотка полимерной лентой; 4—арми-
рующие высокопрочные нити; 5—армиру-
ющая стальная проволока; 6—оболочка

Рис. 5.22. Конструкция одноволокон-
ного ОК для ЭВМ:

I—ОВ; 2—двухслойная защитная оболоч-
ка (фторопласт+полиэфир); 3—армиру-
ющие стеклонити; 4—демпфирующая по-
лиуретановая оболочка; 5—армирующие
высокопрочные синтетические нити; 6—по-
ливинилхлоридная оболочка
Рис. 5.24. Конструкция ОК с ЛЭ в ТЗО

выполнение* конструкций с большим количеством ОВ. При-
мерами таких конструкций могут служить ОК, представленные
на рис. 5.5 и 5.23.

Монтажные ОК часто выполняют ленточными (см.
рис. 5.1,6). При использовании ленточных ОК достигается
выполнение одного из основных критериев надежной работы
ОК—создайие одинаковых условий для ОВ при производстве,
прокладке и эксплуатации кабельного изделия.

Ленточные ОК обладают небольшими размерами (напри-
мер, 0,45x1,6 мм) и в некоторых случаях служат элементами
более сложных конструкций ОК (см. рис. 5.2, 5.3, 5.24, 5.25).

В конструкции, представленной на рис. 5.24, внутри трубки
2 из алюмополиэтиленовой или алюминиевой ленты рас-

Рис. 5.25. Конструкция ОК с ЛЭ:

1 одномодовое ОВ с мягким буферным покрытием из материала УФ-отверждения
диаметром 0,3 мм; 2—оболочка ЛЭ; 3—ЛЭ размером 0,45x1,6 мм; 4—элемент,
содержащий 4 ЛЭ (20 ОВ) с оболочкой из алюмополиэтиленовой ленты с внешним
н внутренним диаметрами 4,5 и 3,5 мм; 5—оболочка ОК; 6—алюмополиэтиленовая лента;

7—центральный силовой элемент
положены один или два' ЛЭ с четырьмя или более ОВ 1.
Полость трубки может быть заполнена гидрофобным матери-
алом, исключающим продольное распространение влаги при
повреждении оболочки. Поверх трубки расположена внешняя
оболочка 3, усиленная равномерно расположенными армиру-
ющими элементами 4, например, из стеклонитей. Избыточная
длина ленты составляет 2%, что вполне обеспечивает отсут-
ствие нагрузок на ОВ при приложении растягивающих нагрузок,
равных удвоенному весу 1 км ОК.

В некоторых конструкциях ОК (рис. 5.24) ленточный элемент
(ЛЭ) имеет дополнительную нейлоновую оболочку, в которой
симметрично по краям расположены армирующие стальные
проволоки, что повышает стойкость ОК к воздействию по-
ниженной температуры.

На рис. 5.25 представлена конструкция ОК, в которой ЛЭ
образуют модули, скручиваемые вокруг центрального силового
элемента.

5.7.	ОПТИЧЕСКИЕ ШНУРЫ, ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ
ВОЛОКОН В СИЛОВЫХ КАБЕЛЯХ

Оптические шнуры в виде цилиндрической пружины изготов-
ляют из одноволоконного ОК (рис. 5.26). Длина ОК 3 м,
диаметр 5 мм, внешний диаметр спирали 20 мм, масса 3 м
кабеля с неметаллическими соединителями 70 г, с металличе-
скими соединителями 90 г. ОК выдерживает до 100 000 циклов
продольных растяжений-сжатий цилиндрической пружины без
ухудшения оптических характеристик. ОК можно применять
в робототехнике, для ЭВМ, телефонии, соединении с подвиж-
ными устройствами (графопостроители, устройства лазерной
резки и пр.).

Рис. 5.26. Конструкция оптического спирального шнура:

1—ОВ; 2—армирующие высокопрочные синтетические нити; 3—внутренняя оболочка ОК;

4—внешняя оболочка ОК; 5—соединитель
Рис. 5.27. Конструкция комбинированно-
го силового кабеля с ОВ;

1—стальные проволоки и полипропиленовые
жгуты; 2—токопроводящие жилы; 3—ОВ; 4—
обмотка стальными лентами и джутовыми
нитями; 5—внешняя оболочка

Оптические волокна находят применение в силовых кабелях.
ОВ являются диэлектриком, обеспечивают передачу сигналов
без искажений в сильных электромагнитных полях, они раз-
мещаются между токопроводящими жилами в силовых кабелях
(рис. 5.27). Температура эксплуатации ОВ при максимальной
токовой нагрузке в кабеле достигает 80° С. Кабели выпускают
сечением до 3x150 мм2 на напряжение 12 кВ. Количество ОВ
может достигать трех.

ГЛАВА ШЕСТАЯ

ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ
КАБЕЛЕЙ

6.1.	ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Оптические кабели должны надежно работать в широ-
ком диапазоне воздействующих внешних факторов, обес-
печивая постоянство характеристик. Малое относительное
удлинение ОВ, чувствительность к деформациям приводят
к тому, что конструирование ОК имеет целый ряд особен-
ностей. Ниже будут рассмотрены рекомендации, позволя-
ющие методологически обосновать подход к конструирова-
нию ОК исходя из требований к его оптическим и механичес-
ким параметрам.

Общая схема конструирования ОК может быть сфор-
мулирована следующим образом: определение параметров
ОК на основе общих требований к оптической динии связи;
расчет механической прочности ОК и выбор конструк-
ции; расчет уровня затухания ОВ, применяемого для изго-
товления ОК.
6.2.	ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОК
НА ОСНОВЕ ОБЩИХ ТРЕБОВАНИЙ К ВОЛС

При конструировании ОК нужно учитывать общие требова-
ния, предъявляемые к оптической кабельной линии связи
в целом с точки зрения обеспечения заданного качества связи.
При выборе параметров ОК следует стремиться к тому,
чтобы ОК данного типа, предназначенный для использования
на линиях до определенной длины, имел затухание, обес-
печивающее заданную длину регенерационного участка, а дис-
персия сигнала в выбранном ОК обеспечивала передачу сигнала
с минимально допустимым уширением импульсов.

Потери в кабельной линии рассчитываются исходя из
скорости передачи, вероятности ошибки, характера сигнала,
числа периферийных устройств и расстояния между ними,
типов источника света и фотоприемника, потерь на вводе
излучения при стыковке, числа соединений в линии и их
характера (разъемные или неразъемные), допусков на тем-
пературные изменения и на ухудшение характеристик компонент
системы во времени:

ао.к = ао.в^о.в<(Л-^пр-ав-авв-«н«н-

-Hpap-aK-Aar-Aat-a3)/Zper,	(6.1)

где ао в—коэффициент затухания ОВ; ко в—коэффициент укрут-
ки ОВ, определяющий превышение физической длины ОВ в ОК
за счет скрутки ОВ или расположения ОВ в ОК, например, по
геликоиде; Ри — полная эффективная мощность излучения; Р—
минимальная необходимая мощность излучения в приемнике; ав
и авв—потери на ввод и вывод излучения в ОВ; пК и пр—
количество неразъемных и разъемных соединений; ан и ар—
вносимое затухание в неразъемном и разъемном соединениях;
ак—затухание в прочих компонентах оптической линии связи
(разветвители, ответвители, переключатели и пр.); Аат—допуск
на температурные изменения коэффициента затухания; Аа(—
допуск на ухудшение качества компонент во времени; а3—запас
по мощности излучения на непредвиденные обстоятельства.

В процессе прокладки и эксплуатации ОК подвергается
воздействию различных механических нагрузок. Рассмотрим
важнейшие из них.

Растягивающие нагрузки делятся на постоянные и перемен-
ные, статические и динамические. Постоянные статические
нагрузки действуют, например, на кабель, намотанный под
натяжением на барабан. Этот вид нагрузок вызывает усталост-
ные напряжения, которые, особенно в присутствии влаги, могут
вызвать разрушение ОВ при нагрузках значительно меньших,
чем обеспечивает стекло, из которого оно изготовлено. Статичес-
кие усталостные напряжения можно предотвратить, регулируя
отношение напряжения растяжения ОВ к максимально крат-
ковременному разрушающему напряжению и применяя специ-
альные меры по защите ОВ от влаги.

Переменная статическая и динамическая нагрузки воздей-
ствуют на ОК, например, при его прокладке или опускании
в скважину. При этом переменная статическая нагрузка при
прокладке (спуске) ОК определяется тяговым усилием лебедки
(спускаемого груза), прикладываемым к концу ОК, и соб-
ственной массой ОК с учетом коэффициента трения ОК
о поверхность трубы (скважины). Динамические нагрузки
возникают при заклинивании ОК в трубе (скважине), резком
ускорении или торможении тяговой лебедки и пр. (табл. 6.1).

Таблица 6.1. Инженерные формулы для расчета внешней растягивающей силы,
действующей на ОК нри переменной статической нагрузке
-----------V--------------------------------------------------

Виды прокладки

В канализации	Воздушная без учета ветровых нагрузок, обледенения и тем- пературы	В грунте сила натя- жения ОК на выходе из кабелеуклады- вающего ножа	Подводная или при эксплуатации в скважине
F’=-P04.k(^tcos₽±  ±sinp)	(6.2)	F=lBP0/8f+  +Pof	(6-3)	А) 4  F=-^ х 2пр  х ехр [Ат у (6.4)	f=(hmpbk+  +Рл)к,	(6.5)

В формулах, приведенных в табл. 6.1, приняты следующие
обозначения: Ро—масса единицы длины ОК в воздухе; /о к—
длина затаскиваемого отрезка ОК в кабельный канал; Лт—
коэффициент трения между материалами оболочки ОК и трубы
кабельной канализации (кабелеукладывающего ножа); Р—угол
наклона трассы (знак плюс берется при прокладке на подъем,
минус—на спуск); /п—расстояние между точками подвеса;
f—стрела провиса; /к—расстояние между осью кабельного
барабана и осью направляющего ролика кабелеукладчика;

—угол изгиба ОК и кабелеукладывающего ножа; т|р—коэффи-
циент полезного действия направляющего ролика; Нм—макси-
мальная глубина прокладки ОК; Ро к—масса единицы длины ОК
с учетом закона Архимеда для среды, в которой осуществляется
прокладка OK (Рок = P0 — vByB\, vB — объем вытесняемой издели-
ем жидкости; ув—удельная масса жидкости (для морской воды
7В= 1,1  103 кг/м3); к3—коэффициент запаса, &3 = 2,54-3; Р„&~
масса спускаемого объекта, укрепленного на ОК, с учетом закона
Архимеда для среды, в которой осуществляется прокладка.

Изгибающие и раздавливающие нагрузки возникают при
прохождении ОК через ролики блок-баланса. Значение этих
нагрузок зависит от натяжения ОК и радиуса ролика и может
быть найдено из выражения
Fmr=kxF,	(6.6)

где кж—коэффициент жесткости, определяемый опытным путем
и зависящий от конструкции кабеля и радиуса ролика.
Расчет раздавливающих нагрузок, действующих на ОК при
многослойной навивке на барабан, а также натяжения ОК
в каком-либо слое навивки приведен в [55].

6.3.	РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ОПТИЧЕСКОГО
КАБЕЛЯ И ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ

Целью расчета механической прочности по заданным нагруз-
кам является определение возникающих в ОК деформаций,
вследствие которых могут возникнуть нежелательные изменения
характеристик ОВ.

Рассмотрим конструкцию ОК, представленного на рис. 5.2
и 5.3,6. Каждое ОВ в ленте при скрутке ЛЭ закручивается
вокруг центральной оси ЛЭ без открутки. Возникающие усилия
постоянны и в значительной степени влияют на механическую
прочность ОВ, а следовательно, и на долговечность ОВ.
Выбор шага скрутки ЛЭ является наиболее важным при
производстве данных конструкций ОК.

При расчете предположим, что ось ОК представляет собой
прямую; ось ЛЭ расположена по спирали с постоянным
шагом скрутки на некотором расстоянии от оси ОК; повер-
хность ЛЭ параллельна оси ОК; площадь поперечного сечения
ЛЭ не изменяется при его скручивании; расстояние между
ОВ в ЛЭ неизменно; материал покрытия на возникающие
в ОВ напряжения не влияет.

Если расстояние между осевыми линиями ЛЭ и ОК равно нулю,
то это соответствует конструкции, представленной на рис. 5.3, а.

При одновременном воздействии на ОК растягивающей,
изгибающей и крутящей нагрузок последние две из них на
поверхности ОВ имеют максимальное значение.

Предположим, что N—количество ОВ в ЛЭ; d—диаметр
ОВ; Dt—расстояние между осями ОВ в ЛЭ (/=1,2, ..., 7V);

—расстояние между осями ОК и ОВ в ЛЭ; ф—угол между
осями ОК и ЛЭ; р—шаг скрутки ЛЭ; Ro—расстояние между
осями ОК и ЛЭ (рис. 6.1).

Линию, соответствующую оси ОВ, можно определить как

Xi = Ri cos(g + <p;);

у; = 7?;8т(2 + <р;);	>	(6.7)

2; = (дй/2л:)—£>г sin ф,

где Q—параметр, определяющий ось ЛЭ;

^i = x/7?o+(Acos'l')2;	(6-8)
Рис. 6.1. Модель для расчета напряжений, возникающих в ОВ при скрутке ЛЭ
вокруг центрального силового элемента:

а—элемент скрутки; б—вид по стрелке А; в—область /; 1—центральный силовой
элемент; 2—ЛЭ; 3—ОВ

tg <р; — Dt cos ф/7?о;
tgv|/=27tJRd/p.

(6.9)

(6.10)

Нагрузки в ОВ (рис. 6.2) рассчитываются с помощью
выражений, приведенных в табл. 6.2, где Ео_в—модуль Юнга
кварцевого стекла; /о—длина ЛЭ, соответствующая j-му повиву;
6о.в—модуль сдвига (для кварцевого стекла GOB = 3,2 ГПа);
1/т;—угол скрутки на единицу длины; ooi—общая нагрузка
на ОВ (« + » ставится при растяжении; « —» при сжатии).

Рис. 6.2. Распределение напряжений на поверхности ОВ при скрутке ЛЭ
Таблица 6.2. Расчет нагрузок в ОВ ОК с ленточными элементами

Вид нагрузки

Растягивающая (сжимающая) в направлении оси ОВ	Изгибающая	Напряжение сдвига 7)	Общая а01-
С7(2лД()2+Р2 .1	,, ...  стР,=^о.в5	,	if;	(6-Ц)  (.	'о	J  Z0 = 7V-j £	1 7 J	(6.12)	|стиг1^о.в^/2р,	(6.13)  1	Я?  - =	(6.14)  Pi А? + (р/2тг)2	Gd  Т.=-^~	(6.15)  2тг  1	лр/0  т,- {(гтпк^+р2}1-5	(6- 6)	стоз=|{стрг+ст„г±  ±V/[(QP>+CyHi)2 +  + 2Т2]	(6.17)

Для Di и при ширине ЛЭ менее 3 мм

1-kF (	1 w \  г71Ло.в/	1	\	(6.18)	2П2£О.ВЖ,.	(6-19)	ndGoв	(6.20)	
стр>	_2	\и‘	и з)  Р N \	™ j— 1	/		^utniax	р 2		Р		
/?0,мм

Рис. 6.3. Теоретическая зависимость
максимальных растягивающих нагру-
зок в ЛЭ для первого и шестого ОВ
от радиуса изгиба ЛЭ для следующих
шагов скрутки, мм:

/ — 50; 2—75; 3—100; 4—150; 5— 200;
6— 300 (26= 125 мкм)

Номер 0В

Рис. 6.4. Теоретические зависимости
напряжений и деформаций, возника-
ющих в ОВ ЛЭ от номера ОВ:

7—г*; 2—Ti; 3—а^; 4—а„,; 5—а„;
(р=100мм; <7=100мкм; Dl+t— D/ = d)

Угол между направлениями

нагрузок и осью ОВ

0f+ =0,5arctg----—;

0;“ =8;++л/2.

(6-21)

На рис. 6.3 приведены результаты расчета максимальных
растягивающих нагрузок в ЛЭ для крайних из шести ОВ
с диаметром оптической оболочки 125 мкм. Шаг укладки ОВ
350 мкм.

Для случая, представленного на рис. 5.3,a (Ri = Di),
Tt является основным компонентом в совокупности действу-
ющих нагрузок (рис. 6.4). Плотность расположения ОВ в ОК,
представленных на рис. 5.2 и 5.3, можно рассчитать с помощью
выражений, приведенных в [56]. ooi рассчитывается исходя
из соотношения

п

Е= (ЕсSc+Y Ei$)ек +/7о.вТо.вcos0,	(6.22)

i=l

где Ес—модуль Юнга сердечника ОК или центрального
армирующего элемента; Et—модуль Юнга прочих элементов
ОК (демпфера, оболочек, брони и пр.); Sc и S)—площадь
поперечного сечения сердечника и прочих элементов ОК;
Рис. 6.5. Упрощенная модель для расчета деформаций в концентрическом ОК:
1—сердечник с армирующим элементом; 2—ОВ; 3—защитная полимерная оболочка
(например, ПЗО); 4—демпфер; 5—защитная оболочка

ек—относительное удлинение ОК; иов—число ОВ в ОК;
FOB—сила натяжения каждого ОВ, направленная под углом
скрутки 0 = arctg (2лЛ//г) к оси ОК; А — радиус скрутки (для
конструкции, представленной на рис. 5.3, а, А равно половине
ширины ЛЭ). Для ОВ в первичном покрытии, например, из
эпоксиакрилата FOB = Еов SOB еов; 5>о.в—площадь поперечного
сечения ОВ; ео в—относительное удлинение О В (принимается
не более 0,25%).

В более общем случае, когда ОВ имеет сложную конструк-
цию защитных покрытий, при расчете FO B необходимо учиты-
вать слагаемое EnSnsOB, где Еп и Sn—модуль Юнга и площадь
поперечного сечения полимерного защитного покрытия.

Значение opi < Еов еов, исходя из чего можно определить
требования к механическим характеристикам ЛЭ и ОК в целом.

Для конструкций, представленных на рис. 5.2, а, расчет
растягивающих и изгибающих нагрузок проведен в [59].

Значение F определяется с помощью (6.22). Расчетная схема
приведена на рис. 6.5. Для ОВ в ПЗО при его натяжении
появляется нормальная поперечная сила, которая сжимает
внутренние слои ОК, уменьшая А. Расчет деформаций ОВ при
воздействии растягивающей нагрузки представлен в табл. 6.3.

Для ОВ в ТЗО его избыточная длина, а следовательно
и удлинение определяются по (6.28), при этом Аг<^р. Выраже-
ние со знаком плюс соответствует случаю, приведенному на
рис. 6.6, а; ео в = 0—рис. 6.6,6; выражение со знаком минус—
рис. 6.6, в.
Таблица 6.3. Расчет деформации ОВ в конструкциях ОК с повивиой скруткой ОВ при воздействии растягивающих нагрузок

Рис. 6.5 (ОВ с ПЗО)	Рис. 6.6 (OB с T3O)	Рис. 6.7	Рис. 6.8
Fn=Fo.Jp	(6.23)  p = ^/sin20	(6-24)  8Л = елЛ	(6.25)  б Л =(Fn/2) [(и/к£с +  + (A—R6 — Rt )/(R6ED ) +  + (R(,-R5)l(R5Enn	(6 26)  EOB = E, cos2e — £4 sin20	(6 27)	eo.b~ ±(2л/д)(Лг±0,5г)г (6.28) ео.в = (ТКЛР,-ТКЛРо.в(Т0- T)- — (2л2/р)2 (Лг + 0,5г)г>0 (6.29)  ЛГ=Л-Я„.О	(6.30)	« *  +(А1р )2/сп] (6.31)  Р1 = Л{1 + [р/2лЛ]2} (6.32)	р2 г ,  Р2=“5 COS2(nz/p) + nA2 _  Ч—sin4(rcz/p)	(6.33)  л  2hi
			г* (р\2 ’ ’  ’’J-  - -(2^-М	(6 34)

Здесь F„—сила, сжимающая внутренние слои ОК; р—радиус кривизны винтовой линии, по которой уложено ОВ
сл—относительное удлинение материалов ОК по радиусу А', 8А—сжатие слоев ОК под действием силы Fn; р—шаг скрутки
ОВ в ТЗО; ТКЛР, и ТКЛРОВ—ТКЛР ОК и ОВ соответственно; Т и То—температуры окружающей среды рабочая
и нормальная; г—расстояние между центрами ТЗО и ОВ в данной ТЗО; Аг—радиус геликоиды, образованной ТЗО
в скрутке; 7?Т1Д>—радиус ТЗО; —длина ОВ в пазу сердечника; L—длина ОК; кп = 2л2— для спиральной укладки;
к„=тс!^—для реверсивной укладки; pt и р2— радиусы кривизны ОВ для спиральной и реверсивной укладок; z—продольная
координата.
Рис. 6.6. Упрощенная модель для расчета деформации ОВ в ТЗО при
охлаждении (а), нормальных условиях (б) и нагревании (в) в скрутке:
1—ТЗО; 2—ОВ; 3—сердечник с армирующим элементом

Для конструкции ОК с профилированным сердечником (см.
рис. 5.1, в) при воздействии растягивающего усилия ОВ пере-
мещается внутри паза. Размер паза определяет допустимую
продольную относительную деформацию ОК. Расчет относи-
тельного удлинения сердечника ОК с учетом (6.22) осуществлен
для модели, представленной на рис. 6.7, в предположении,
что ОВ не подвержено воздействию растягивающей силы.
При приложении к ОК (сердечнику) растягивающей силы
происходит смещение ОВ в пазу до соприкосновения его
с дном канавки. Расчетные формулы (6.31, 6.32 и 6.34)
приведены в табл. 6.3.

Для реверсивной скрутки профилированный сердечник мо-
жет быть выполнен в виде, представленном на рис. 6.8. В этом
случае расчет проводят в соответствии с (6.31, 6.33 и 6.34).

Увеличение ео к из-за уменьшения р ограничено напряжени-
ями, возникающими в ОВ при малых радиусах изгиба.

Разнонаправленная скрутка обеспечивает более точную ре-
гулировку натяжения ОВ.

Рис. 6.7. Модель для расчета дефор- Рис. 6.8. Конструкция профилирован-
мации ОВ в профилированном сердеч- ного сердечника для разнонаправлен-
нике:	ной скрутки:

1—ОВ; 2—сердечник	I—сердечник; 2—паз
z

Рисл6.9. Схема расположения ОВ в ОК при его изгибе

Представляет интерес определение механической прочности
ОК при растяжении исходя из вероятности разрушения ОВ
при растяжении. Предположим, что в ОК имеется иов, имеющих
одинаковые: длину 5О-В; о0р и т — постоянные, определяемые
из распределения Вейбулла. Тогда

Пои = Ио1в-т’‘)сгор,	(6-35)

где о0р—разрушающее напряжение при вероятности разрыва
63,2%.

Изгиб концентрического ОК радиуса R рассмотрим для
случая, когда длина осевой линии ОК остается неизменной. Тогда
длина деформированной винтовой линии (рис. 6.9) в первом
приближении также не меняется. Радиус кривизны р винтовой
линии при изгибе меняется от точки к точке. Уравнение винтовой
линии можно записать в двух системах координат:

в цилиндрической

r=R+A cosytp;

а=т18туф;	(6.36)

y = 2nRlp

в декартовой

x = (/?+T')cos(p;

y = (.R+T)sin(p;	(6.37)

z=A sin yep;

T=A совуф,
где r—радиус; ф — полярный угол; р—шаг винтовой линии;
Ф =pjR = 2тг/у.

Участки ОВ, прогнутого с внешней стороны, растягиваются,
с внутренней—сжимаются. Вдоль волокна возникают продоль-
ные уравновешивающие силы.
Рассмотрим два возможных случая расположения ОВ в ка-
беле: свободное размещение ОВ относительно других элементов
конструкции ОК и плотное соединение ОВ с элементами
конструкции ОК.

При свободной укладке ОВ в ОК, например ОВ в ТЗО
или в пазах сердечника, в нем возникают только деформации
изгиба, зависящие от его наружного радиуса b и радиуса
кривизны р. Наружная часть прогнутого ОВ растягивается,
а внутренняя сжимается с £изг = />/р. Напряжения в крайних
точках сечения ОВ равны между собой по значению
и противоположны по знаку: о± =+еизг£,0- Деформация
уменьшается с увеличением шага р. Она также меньше,
если радиус скрутки А мал, однако при малых радиусах
изгиба R положение меняется: к меньшим деформациям
приводит выбор большого А.

Продольная уравновешивающая сила может появляться
и при свободной укладке ОВ в кабеле вследствие его касания
элементов кабеля и проскальзывания при изгибе кабеля. Она
зависит от коэффициента трения, характера трения и скорости
изгибания. Последняя определяется скоростью намотки ОК
на барабан или скоростью прохождения ОК через прогнутый
участок при протяжке. С наибольшей скоростью перемещаются
точки с уф = л/2 + А:л, т. е. находящиеся посредине между
точками Мо и

Скорость проскальзывания и соответствующие напряжения
увеличиваются с ростом шага скрутки. Для уменьшения
напряжений при перемещениях ОВ следует ограничить шаг
скрутки, коэффициент трения ОВ и скорость изгибания ОВ.

Если ОВ скреплено с демпфером, то его сохранность при
изгибе, т. е. его малые деформации, могут быть обеспечены
за счет мягкости материала демпфера, который допускает как
продольное, так и поперечное перемещение ОВ относительно
других элементов конструкции ОК. При этом в демпфере, ОВ
и его покрытии возникают

определенные напряжения,
стремящиеся вернуть все
точки конструкции в исход-
ное положение. Для расчета
возникающих напряжений
рассмотрим следующую
модель (рис. 6.10).

Каждое ОВ окружено во-
ображаемым коаксиальным

Рис. 6.10. Схема модели для рас-
чета относительного удлинения ОВ
при изгибе при его плотной уклад-
ке в конструкции ОК
с ним цилиндром радиусом R = (R2 —7?i)/2, который касается
элементов сердечника и защитной оболочки и прочно с ними
связан (см. рис. 6.5). При изгибе ОК все точки на окружности
этого цилиндра, как и точки конструктивных элементов ОК
в любом его поперечном сечении, остаются в одной плоскости,
в то время как световод смещается вдоль своей оси. Расчет
относительного удлинения ОВ при изгибе может быть выполнен
по следующим формулам:

для рис. 6.10

?lcos26 i

. Е°~7?(1 +Tsin26)(l +Лсо£)+~р ’

<70 = eo-^0j

* D = Eo_BSo.B/ky; ioL=2n/l; >

^ = л£д/[(1 + цд)1п(£д/£5)];

6д = £д[2(1 + цд)];

(6.38)

для рис.* 5.3, а

Ео.в = [0,5 (ил+1)?л+b]/R,	(6.39)

где ил—количество ЛЭ; рд—модуль сдвига;	—пространст-

венная круговая частота винтовой линии с радиусом р.

Для кабелей с плотной укладкой ОВ необходимо применение
весьма мягкого демпфера с £д = 0,14-1 МПа. Только в этом
случае ОК может быть подвергнут изгибу с достаточно малым
радиусом.

Изгиб ОК на основе ЛЭ сопровождается его боковым
смещением. Поскольку ЛЭ, как правило, взаимно подвижны,
наибольшие деформации в ОВ возникнут в том сечении, где
плоскость ЛЭ совпадает с плоскостью ОК. Крайние ОВ
в каждом элементе подвергаются наибольшему растяжению
и сжатию.

Рассмотрим расчет прочности армирующих элементов ОК,
расположенных концентрически. При наличии нескольких по-
вивов суммарное разрывное усилие в ОК

п

(=1

$Ai
sin Pi ’

(6.40)

где oAj и SAt—номинальное значение разрывной прочности
и суммарное значение армирующих элементов в z-м повиве;
Pi—угол скрутки армирующих элементов в z'-м повиве. Ко-
личество проволок в повиве может быть выбрано в соответ-
ствии с [57, 58].
В ОК, элементы которых расположены по спирали, при
растяжении возникают крутящие моменты, которые стремятся
раскрутить броню или армирующий элемент, что может
привести к выходу кабеля из строя. Поэтому конструкция
должна быть разработана таким образом, чтобы суммарный
крутящий момент был минимальным. Для г-го повива кру-
тящий момент

dAi^Ai Ai ^ci Rai

4 [1+(Мя)2] ’

(6-41)

где dAi—диаметр армирующего элемента; nAi—количество
армирующих элементов; RAi—радиус повива армирующих
п

элементов; kci — коэффициент скрутки. Условие У Mt = Q для
i= 1

двухповивной конструкции может быть обеспечено при

п1А RlA^i —d2An2AR2A^2=^'->

M,2 = [l+(fcd.2M2)].	(6.42)

Анализ этих уравнений показывает, что их решение возможно
при достаточно малом значении диаметра проволок второго
повива.

6.4. РАСЧЕТ УРОВНЯ ЗАТУХАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА,
ПРИМЕНЯЕМОГО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАБЕЛЯ

В задачу конструирования ОК входит сохранение исходного
затухания ОВ как при изготовлении кабельного изделия, так
и в широком диапазоне условий прокладки и окружающей
среды. Опыт создания ОК показывает, что их затухание
превосходит затухание ОВ, на базе которого этот ОК изготов-
лен. Если коэффициент затухания ОВ обозначить аов, то
коэффициент затухания ОК

а=ао.в + а'.	(6.43)

Дополнительный коэффициент затухания а' состоит из
суммы отдельных парциальных коэффициентов. Существует
по крайней мере семь видов парциальных коэффициентов
затухания, т. е.

(6.44)

1

где cc'i возникает вследствие приложения к ОВ термомеханичес-
ких воздействий в процессе изготовления кабеля, при этом
создаются внутренние напряжения; а'2—следствие температур-
ной зависимости коэффициента преломления материала ОВ;
а'з вызывается микроизгибами ОВ, механизм их влияния на
затухание связан с рассеянием энергии и с появлением
локальных микронапряжений; а 4—следствие нарушения пря-
молинейности ОВ (скрутка), а также нерегулярностей, вызван-
ных случайным отклонением от прямолинейности, например,
при прокладке ОК или при воздействии внешних усилий;
сс'5—результат кручения ОВ относительно его оси, приводящего
в свою очередь к появлению осевых напряжений скручивания;
а'6 возникает вследствие неравномерности покрытия ОВ и тем-
пературных воздействий на волокно и на конструктивные
элементы ОК, приводящие при жесткой связи (укладки) ОВ
к локальным напряжениям в ОВ. (Приращение затухания
этого вида может существенно проявиться при значительных
изменениях температуры окружающей среды в процессе хране-
ния или эксплуатации); а'7—следствие потерь в защитной
оболочке ОВ, которые, в свою очередь, обязаны туннельному
эффекту и различным неоднородностям, обусловливающим
эффект рассеяния энергии.

Таким образом, дополнительные потери определяются в ос-
новном процессами рассеяния энергии на неоднородностях,
возникающих вследствие перечисленных влияний, и частично
увеличиванием потерь на поглощение энергии. Причиной
увеличения потерь на поглощение являются остаточные осевые
и поперечные напряжения в ОВ, могущие возникнуть при
изготовлении кабеля.

Значение парциального приращения cz'j может быть умень-
шено правильным выбором типа ОВ с учетом физико-хими-
ческих свойств материалов для его изготовления. Важнейшими
показателями этих свойств являются ТКЛР и усадка. Влияние
разности ТКЛР материалов сердцевины, оптической оболочки
на приращение коэффициента затухания рассмотрено в гл. 4.
Значение a'j определяется расчетно-экспериментальным путем.

Экспериментально установлено, что сс'2 в много-
компонентных световодах мало изменяется вплоть до 400° С.
В кварцевых световодах затухание растет экспоненциально
с ростом температуры, что объясняется сдвигом ультрафи-
олетового поглощения, рассчитанного по температурному из-
менению коэффициента преломления. Полные дополнительные
потери, т. е. дополнительные потери на возбуждение и поглоще-
ние при распространении энергии вдоль световода

P(T)=101g(PnajI/P2r)-101g(Plo/P2o),	(6.45)

где Р10 — мощность вошедшей в световод волны при 0° С;
Р20 и Р2Т—мощности волн на выходе световода при 0° С
и при температуре Т; Р„я„—мощность возбуждающих световод
волн при температуре, равной нулю. Дополнительные потери
на возбуждение
Рис. 6.11. Зависимость дополнительных
потерь оптического сигнала в световоде
с кварцевой сердцевиной и полимерной
оптической оболочкой при 1=1,05 мкм;
а — 15 мкм; b = 65 мкм:

I—оптическая оболочка из кремнийорганичес-
кого компаунда; 2—то же из модифицирован-
ного кремнийорганического компаунда

—80	-60 -40 -20	0	20

Т°С

P'r=101g(PnaJPir),	(6.46)

где Р1Т—мощность вошедшей в световод волны при тем-
пературе Т.

За нулевой уровень потерь в (6.45) и (6.46) приняты потери
при температуре 0° С. Дополнительные потери на возбуждение
составляют менее 1% общих дополнительных потерь при
изменении температуры.

Изменение затухания в многокомпонентных и кварцевых
световодах при низких температурах незначительно.

Для световодов с кварцевой сердцевиной и полимерной
оптической оболочкой зависимость затухания от температуры
ниже 0° С выражена очень резко. Это объясняется тем, что
показатель преломления полимерной оптической оболочки при
понижении температуры резко возрастает и становится равным
показателю преломления сердцевины. Например, это проис-
ходит при температуре —45° С для кремнийорганического
и при температуре —80° С для модифицированного кремнийор-
ганического компаундов (рис. 6.11). Алгоритм расчета оптичес-
ких линий на основе волокна этого типа позволяет при
известном температурном изменении показателя преломления
определить влияние температуры на возбуждение и ослабление.

Приращение затухания от микроизгибов а'3 зависит от
мелких локальных нарушений прямолинейности ОВ, харак-
теризуемых смещением оси ОВ в поперечных направлениях
на участке микроизгиба. Основными причинами появления
микроизгибов являются локальные неосесимметричные меха-
нические усилия различного происхождения, приложенные
к очень малым участкам ОВ. К микроизгибам следует отнести
такие поперечные деформации ОВ, для которых ymarJ2b~
»0,5 4-1,0, где утах—стрела микроизгиба, т. е. максимальное
смещение оси ОВ.

Особенностями микроизгибов является то, что они, как
правило, многочисленны, статически распределены вдоль ОВ,
причем расстояние между соседними микроизгибами сущест-
венно больше их размера. Общий вклад потерь, создаваемых
микроизгибами, может быть значителен. Вследствие микроиз-
гиба происходит ограничение апертурного угла излучения,
распространяющегося по ОВ, и часть энергии излучается из
ОВ. Значение потерь на одном микроизгибе может изменяться
в пределах 0,01—0,1 дБ. В [59] приводится расчетная формула,
позволяющая оценить зависимость избыточных потерь, обус-
ловленных микроизгибами ОВ:

a'3=k3NHyl

,.4	/р \3/2

a I Eq \

А3й6 \Ёе) ’

(6.47)

где к3 = 0,9 ч-1,0; NH—число неоднородностей в виде выпукло-
стей со средней высотой ун на единицу длины; а—радиус
сердцевины; b—радиус оптической оболочки; Д=1— п1/п2',
щ и п2—Показатели преломления сердцевины и оболочки;
Ео и Ес—модули Юнга оболочки и сердцевины ОВ. В [51, 60]
приведены примеры расчета затухания на микроизгибах, вызван-
ных различными внешними условиями в более подробном виде.

Анализ (6.47) показывает, что избыточные потери в ОК
могут быть значительно снижены увеличением диаметра и чис-
ловой апертуры ОВ и уменьшением отношения диаметра
сердцевины к диаметру оптической оболочки.

Влияние скрутки и искривления ОК при прокладке («4)
может быть оценено с помощью выражс
ниже [61, 62]:

, с	1,03

41 R^b2(noko)2l*koa’

приведенных

(6.48)

(6.49)

Rc = A+p2/2n2A2;

,	6,5а

СС4 =--7~',

Ro Ап

,	13а

«4 =---,

Ro Ап

(6.50)

(6.51)

где &0 = 2л/Х0; 70—длина волны в свободном пространстве;
Сх—постоянная, определяемая опытным путем для данного
ОВ; 0,„—апертурный угол; А—радиус скрутки ОВ; р—шаг
повива; Ro—критический радиус кривизны; Ди—разность
показателей преломления.

Выражение (6.49) рекомендуют использовать для длины
волны 0,85 мкм. Для ОВ в ПЗО со ступенчатым профилем
показателя преломления предложена формула (6.50), а для
ОВ в ПЗО с градиентным профилем—(6.51).

Возможные варианты расчета параметров скрутки приве-

дены ниже.

Для ОВ с ТЗО

для ОВ с ПЗО

(6.52)

(6.53)

где &K = kLIL—относительное удлинение кабеля; L—длина
ОК; ДЛ— радиальное смещение ОВ внутри ТЗО; С—постоян-
ная, равна 13 (для ступенчатого профиля показателя прелом-
ления) и_ 26 (для градиентного профиля показателя прелом-
ления); Д—эффективная разность показателя преломления.

Приращение а'5 в основном появляется в результате кручения
ОВ вокруг своей продольной оси. Вследствие появления
внутренних напряжений искажается профиль показателя прелом-
ления (увеличивается от оси к поверхности ОВ) и возникает
дополнительное преобразование меридиональных лучей в косые,
распространяющиеся под углами, большими критических для
этих лучей, а также нарушаются условия полного внутреннего
отражения. Экспериментальные зависимости изменения затуха-
ния в ОВ для различных видов нагрузок приведены на рис. 6.12.

Потери а'б обусловлены возможностью возникновения на
поверхности ОВ нерегулярностей, способствующих появлению
микроизгибов. Влияние температуры на поведение ОВ с разны-
ми видами защитных полимерных оболочек рассмотрены в гл. 4.

Оценку а'7 можно провести с помощью выражения

0,136(1-игр)Х2

а? fl7t2H1COs6m(l — cos0,„)8o6

1 +sin6,„

1 — sin6,„

— sin 6m

(6.54)

где игр—коэффициент отражения на границе сердцевина — оп-
тическая оболочка; 8об—толщина полимерной защитной обо-
лочки.

Выражение (6.54) справедливо для ступенчатого профиля
показателя преломления и материала полимерной защитной
оболочки с абсолютной поглощающей способностью. С умень-
шением 0m, b и 8о6 дополнительные потери, обязанные
туннельному эффекту, возрастают. Значение а7 составляет
менее 1 дБ/км.
закручивания

Рис. 6.12. Зависимость дополнительных потерь оптического сигнала:
а и б—от радиуса изгиба; в—от продольных растягивающих усилий; г—от силы
поперечного сжатия; д—от угла осевого закручивания; 1, 2—кварцевые ОВ; 3 —
многокомпонентное ОВ; 4 — полимерное ОВ

ГЛАВА СЕДЬМАЯ

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ
ВОЛОКОН И КАБЕЛЕЙ

7.1.	ОБЩАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ

Технологический процесс изготовления ОВ и ОК разрабаты-
вают исходя из требований точного исполнения конструктивных
решений и наименьшего влияния на параметры ОВ, а также
экономической целесообразности работ.
Общая технологическая схема включает изготовление за-
готовок, вытяжку ОВ из этих заготовок, нанесение на ОВ
защитных покрытий, скрутку ОВ, наложение защитных по-
кровов. В зависимости от типа ОВ и ОК операции могут
быть изменены, исключены или дополнены другими.

Технология изготовления опорных кварцевых труб. Опорные
кварцевые трубы (ОКТ) являются важным исходным ком-
понентом для изготовления кварцевых заготовок методом
MCVD (см. далее). ОКТ изготовляют из различных видов
сырья по одностадийной или двухстадийной технологии
(рис. 7.1).

Одностадийный процесс обеспечивает наилучшие геомет-
рические характеристики изготовляемых труб, но, как и процесс
контактного двухстадийного формирования труб, не обеспечи-
вает высокой прочности кварцевого стекла ОКТ ввиду его
загрязнения частицами материала дорна установки контактного
формирования трубы.

Наибольшее распространение получил двухстадийный про-
цесс производства ОКТ из натурального стекла с испо-
льзованием метода бесконтактного формирования трубы, име-
ющий достаточно высокие технико-экономические показатели.

Рис. 7.1. Перечень основных технологических операций производства ОКТ
Изготовленные на его основе ОКТ выпускают диаметром
8—24 мм с радиальной толщиной стенок I—1,6 мм. Допуск
на радиальную толщину стенки для лучших образцов ОКТ
колеблется от +0,2 до ±0,4 мм. Длина ОКТ может составлять
1—2,5 м. Допуск на радиальную толщину стенки в зна-
чительной степени определяет точность изготовления заготовки
с заданным профилем показателя преломления заготовки.

Технология изготовления кварцевых заготовок. Изготовление
кварцевых заготовок осуществляют различными технологичес-
кими методами, в основе которых лежат метод жидкой фазы,
парофазная техника и золь-гель-процесс.

Метод жидкой фазы в основном используют для изготов-
ления многокомпонентных ОВ с диаметром сердцевины 250
и 400 мкм и числовой апертурой более 0,5 с коэффициентом
затухания *3—20 дБ/км.

К методам жидкой фазы относят: методы тигля, слоистого
расплава, двойного тигля, обменной диффузии, модифицирован-
ный метод обменной диффузии «фазил», ионного обмена.

Метод тигля основан на расплавлении тщательно очищен-
ных материалов в тигле. При этом образуется гомогенное
свободное от пузырьков стекло. Плавление стекла ведут
в кварцевом тигле в электропечи или с помощью высокочастот-
ного индуктора, что уменьшает диффузию материала тигля
в расплав стекла. Внутрь печи подают осушенные газы,
которые снижают в расплаве содержание гидроксильных групп
и ионов металлов примесей. Окончательно гомогенизированный
и очищенный расплав стекла охлаждают до температуры, при
которой возможно непосредственное вытягивание стержней
с поверхности расплава. Стержни имеют диаметр 5—10 мм.
Затем стержень, играющий роль сердцевины, помещают внутрь
трубки заготовки, служащей для образования оптической
оболочки. Полученную конструкцию можно использовать для
вытяжки ОВ. При этом способе внимание уделяют состоянию
границы раздела «стержень—трубка». Этим методом, получив-
шим название метода «пруток в трубке», можно получать
заготовки не только для кварцевых, многокомпонентных ОВ,
но и заготовки для получения ОВ типа Panda. Можно
получить заготовку протягиванием стержня из многоком-
понентного стекла через расплав стекла, образующего оп-
тическую оболочку. Таким образом, получают ступенчатый
профиль показателя преломления.

Для изготовления заготовок из многокомпонентных стекол
можно применять метод слоистого расплава. При этом методе
заготовка вытягивается из двухслойного расплава, в котором
материал оболочки плавает на материале сердцевины в глад-
костенном тигле. Поскольку одно стекло по существу плавает
на другом, не смешиваясь, метод слоистого расплава исполь-
зуется в основном для изготовления ОВ со ступенчатым
профилем показателя преломления. Подавая в тигель исходные
материалы, можно сделать процесс непрерывным.

Метод двойного тигля характеризуется наличием двух
концентрически расположенных тиглей. Материал центрального
тигля служит для образования сердцевины, а материал дру-
гого— для создания оптической оболочки. Вытяжка заготовки
проводится вниз. Формирование сердцевины и оболочки и их
геометрических размеров происходит с помощью двух кон-
центрических фильер. Метод двойного тигля Предпочтителен
при изготовлении заготовок ОВ со ступенчатым профилем
показателя преломления.

При методе обменной диффузии стеклянный стержень диа-
метром около 10 мм и длиной до 1 м вытягивается из
натрий-боросиликатного стекла. После химической обработки
стержень пропитывают легирующим раствором, который после
удаления растворителя позволяет получить оптическую оболоч-
ку. Методом обменной диффузии изготовляют заготовки со
ступенчатым и градиентным распределением показателя пре-
ломления.

Возможна модификация этого метода, получившая название
фазил. Стержень из многокомпонентного стекла нагревают
до температуры, при которой происходит разделение фаз.
Примеси переходных металлов, содержащиеся в исходном
материале, скапливаются в обогощенной бором фазе. Ее
удаляют травлением, получая одновременно пористую струк-
туру с высоким содержанием SiO2. Образовавшиеся поры
структуры заполняют легирующими добавками, которые из-
меняют показатель преломления. Затем снова растворяют
добавки во внешних областях для создания оптической оболоч-
ки с меньшим показателем преломления. Для производства
градиентного ОВ легирующую добавку в заготовке растворяют
неравномерно.

Метод ионного обмена применяется для изготовления
заготовок с градиентным профилем показателя преломления.
Процесс диффузии ионов происходит между материалами
сердцевины и оптической оболочки до застывания стекла
и определяется коэффициентом и временем диффузии. Этот
технологический метод обеспечивает получение стабильного
профиля показателя преломления во всех сечениях оптического
волокна по его длине при стабильности температурного
режима и технологического процесса. При изготовлении
заготовок многокомпонентных стекол стеклянные стержни,
служащие заготовкой, помещают в нагреваемый тигель,
в котором находится расплав боросиликатного стекла, на-
гретого до 500° С, т. е. чуть выше температуры размягчения.
Выбор температуры исключает деформацию стержней. При
10 Заказ 2460	145
использовании метода ионного обмена совместно с методом
двойного тигля для получения градиентного ОВ температура
повышается до 900° С, что резко уменьшает вязкость стекла
и время, необходимое для ионного обмена.

Основой для метода паровой фазы является реакция
окисления газа с оседанием твердых частиц на подложку
с образованием твердой заготовки, которая затем пере-
тягивается в ОВ. Существует много модификаций этого
метода, но у них имеется несколько общих черт: все
они в основном используют хлориды (SiCl4, GeCl4 и РОС13)
и высокочистые газы (Cl2, О2, C2C12F2) для образования
потока паров, содержащие продукты реакции в необходимой
концентрации; после реакции окисления или гидролиза стекло
оседает на соответствующую подложку. Полученная заготовка
содержит сердцевину и оптическую оболочку и затем пе-
ретягивается в ОВ.

Главное различие между вариациями этого метода заключа-
ется в способе получения энергии для проведения процесса
окисления: термический нагрев (например, электрической печью
или открытым пламенем) непосредственно зоны реакции или
околозонного пространства ОКТ; высокочастотный нагрев;
различные типы плазмы.

Техника гидролиза в пламени имеет три различных
варианта.

Метод внешнего парофазного осаждения (OVPO, VPO или
OVD) наиболее известен и применяет боковое осаждение
требуемых композиций стекла в виде «сажи» (частичек стекла
диаметром 100—1000 А), полученной гидролизом паров хло-
ридов при сгорании смеси газов метан—кислород (пропан—
кислород) или водород—кислород, и осажденной на враща-
ющийся стержень, который поступательно передвигается в пла-
мени. Состав газа и температура пламени регулируются по
времени в целях получения ступенчатого или градиентного
профиля показателя преломления.

После того как процесс осаждения закончен, стержень
(обычно из А12О3), имеющий более высокий ТКЛР, чем
осаждаемый на него материал, удаляют. Пористую стеклянную
заготовку высокой чистоты, но с достаточно высоким содер-
жанием воды и гидроксильных групп подвергают операции
дегидратирования при температуре 1200° С в атмосфере гелия
или хлора. Затем температуру поднимают почти до 1500° С
для осуществления процесса стеклования и схлопывания, в ре-
зультате чего получают заготовку из стекла, свободного от
пузырей.

Другой метод гидролиза—метод парофазного осевого осаж-
дения, или метод аксиального осаждения из паровой фазы
VAD. Осаждение материала сердцевины и оптической оболочки
146
в виде сажи происходит на торец вращающегося затравочного
стержня из кварца. Пористый стержень поступает в камеру
дегидрирования с атмосферой из сульфурилхлорида SO2C12,
а затем в кольцевую графитовую печь для зонного остекло-
вывания. Вращение заготовки вокруг продольной оси обес-
печивает сохранение цилиндрической симметрии при осаждении.
Главная сложность этого метода заключается в контроле
градиентного профиля показателя преломления из-за одновре-
менного наращивания сердцевины и оболочки, который оказы-
вает значительное влияние на модовый состав и импульсный
отклик ОВ. С помощью этого метода можно получить
заготовки значительной длины с сердцевиной из
Р2О5—GeO2 — SiO2 и оптической оболочкой из В2О5 — SiO2.

Метод химического осаждения из паровой фазы (CVD)
основан на реакции окисления GeH4 и SiH4. Реакция проис-
ходит внутри ОКТ, нагретой до температуры около 1100° С.
Исходные вещества вступают в реакцию на границе стенки
трубки. Нагрев ОКТ производят с помощью электрической
печи. Метод имеет два недостатка: низкая скорость протекания
реакции (дл получения заготовки, из которой можно вытянуть
ОВ длиной 1 км, требуется 24—36 ч); образующаяся вода
частично поглощается сердечником, что приводит к увеличению
потерь.

Метод модифицированного химического осаждения из па-
ровой фазы MCVD базируется на осаждении материала внутри
вращающейся нагреваемой ОКТ, которая нагревается снаружи
с помощью перемещающейся вдоль нее кислородно-водородной
горелки. Частицы сажи осаждаются впереди нагретого места
(по ходу горелки). При последующем прохождении горелки
происходит остекловывание частиц и образование монолитного
слоя. Сначала таким образом изготовляют оптическую оболоч-
ку, а затем, меняя состав газовой смеси, сердцевину. В этом
случае в смесь добавляют GeCl4 и РОС13, чтобы после
реакции в состав сажи вошли частицы, содержащие Ge и Р,
влияющие на показатель преломления. В настоящее время
проводятся работы по внедрению в оптическую оболочку
добавок фтора. Это пока единственная альтернатива В2О3,
если требуется уменьшить показатель преломления.

После окончания осаждения материала температуру пламени
горелки увеличивают до 1800° С и происходит схлопывание
заготовки, т. е. образование монолитного стеклянного цилин-
дра. Недостатком метода MCVD следует считать наличие
большого температурного градиента между внутренней повер-
хностью ОКТ в месте реакции и наружной поверхностью.

Метод MCVD используют для изготовления градиентных
и одномодовых заготовок ОВ, а также ОВ с эллиптической
оболочкой. Реакционная смесь газов должна обеспечивать
введение в кварц около 11% (молярная доля) В2О3. Реакцию
осуществляют при температуре 1650° С. При этом труба после
каждого рабочего хода горелки поворачивается на 180° так,
что получаемые в результате реакции продукты окисления
осаждаются неравномерно на противоположные стороны опор-
ной трубы. Скорость перемещения газовой горелки составляет
около 17 см/мин, количество проходов горелки—около 50,
что обеспечивает толщину эллиптической оболочки в ОВ
диаметром 100 мкм около 40 мкм.

Второй способ окисления паровой фазы галогенидов за-
ключается в использовании плазмы. Исходными материалами
для процесса плазменного химического осаждения в паровой
фазе или активного парофазного осаждения в плазме (PCVD)
являются SjCl4, О2, C2F6 и GeCl4. ОКТ помещают в эле-
ктрическую печь, которая разогревает ее до температуры
около 1000° С. Резонатор перемещается вдоль ОКТ и до-
полнительно производит разогрев газовой смеси еще на
500° С. С помощью системы насосов внутри ОКТ создается
поток с давлением 100—400 Па для удаления продуктов
реакции (С1г, избыток кислорода). Продукты реакции в виде
стеклообразного слоя без образования порошкообразных ок-
сидов осаждаются на ОКТ.

Основное преимущество метода заключается в проведении
всего процесса осаждения при более низкой температуре, чем
при методе MCVD. Точность изготовления профиля показателя
преломления повышается.

Метод PCVD относится к группе методов внутреннего
осаждения, т. е. внутри ОКТ. В общей сложности таких
методов насчитывается семь. Еще четыре плазменных метода
относятся к группе внешнего осаждения. В частности, к этой
группе относится метод аксиально-бокового плазменного осаж-
дения APLD. Сначала с помощью плазмы наносят на торец
кварцевой затравки SiO2. При этом образующийся слиток
перемещается поступательно от источника плазмы и одно-
временно вращается вокруг оси (аксиальное плазменное осаж-
дение). Таким образом получают заготовку сердцевины. На
второй стадии на сердцевину наносят оптическую оболочку
из кварца, легированного фтором (боковое плазменное осаж-
дение). При этом заготовка перемещается относительно ис-
точника плазмы вдоль своей оси.

Золь-гель процесс производства оптических заготовок раз-
рабатывается с 1977 г. и еще не имеет коммерческого примене-
ния. Существуют два основных метода изготовления кварцевого
гель-стекла: гидролиз и полимеризация алкоголятов; превраще-
ние в гель золей, полученных из коллоидных оксидных
дисперсий. С помощью золь-гель процесса изготовляют ОКТ,
сердцевину и оптическую оболочку.
Алкоголяты позволяют получать многокомпонентные гели,
и благодаря маленьким порам (2—7 нм), эти гели могут
спекаться при температурах, значительно меньших, чем тем-
пературы, которые применяются при образовании стекла.
Таким образом можно исключить проблему кристаллизации,
так как спекание происходит при температуре значительно
ниже той, при которой начинается образование центров
кристаллизации и рост кристаллов. Однако сушка монолитных
алкоголятных гелей представляется трудной задачей. Она
может быть решена путем гиперкритической откачки воздуха
из автоклава. Метод очень трудоемок, требует громоздкого
оборудования и больших затрат.

Коллоидные методы могут исключить проблему сушки.
Гели склонны к дегидратации (обезвоживанию), но приготов-
ление многокомпонентных стекол этим путем — более трудная
задача. Эти методы заключаются в диспергировании колло-
идных частиц в жидкостях, и эти суспензии легко образуют
гели, которые затем осушаются, спекаются в монолитное
прозрачное стекло.

Весь золь-гель-процесс состоит из последовательных опера-
ций, объединяющих в одно целое гидролиз и коллоидный
методы. Исходным материалом является Si (OR)4 (силикон
тетраалкоголят), который подвергается гидролизу. Полученный
золь заливают в матрицу и сушат. При сушке могут
образовываться трещины из-за наличия напряжения в материале,
вызванных существованием капилляров с жидкой фазой и с уже
высушенным веществом. Окончательно отливку нагревают до
1250—1450° С и спекают. При этом пористый кварц имеет
тенденцию к растрескиванию, вздуванию или образованию
пузырей. Заготовка ОВ изготовляется путем помещения моно-
литного стекла в ОКТ, которая, в свою очередь, изготовляется
методом MCVD. Заготовка схлопывается с использованием
кислородно-водородной горелки и затем перетягивается в ОВ
с помощью обычного технологического оборудования. Сравни-
тельные характеристики ОВ, вытянутых из заготовок, изготов-
ленных разными золь-гель-методами, приведены в табл. 7.1.

Метод механического формирования заготовки (MSP) осно-
ван на механическом (с помощью специального экструдера)
заполнении ОКТ слоистой смесью из частиц ультрачистого
кварца. После термообработки в среде кислорода, гелия и хлора
смесь остекловывается с образованием заготовки. Метод может
обеспечить получение одномодовых заготовок для ОВ строи-
тельной длиной до несколько сотен километров со сравнительно
низким коэффициентом затухания (0,5—0,6 дБ/км).

В табл. 7.2 приведены сравнительные данные, характери-
зующие рассмотренные выше технологические методы произ-
водства заготовок.
Таблица 7.1. Оптические волокна, полученные из кварцевых гелей

№	Описание технологического метода получения	Примеси		Оптические потери, дБ/км (на длине волны, мкм)
		в оптической оболочке	в сердцевине	
1	Стеклянные частицы, полученные из ал- коголятов и коллоидных кварцевых золей. Спекание частиц проведено в плазме	В2О3	GeO2— В2О3	
2	Монолитные гелевые прутки изготовлены гидролизом Si (ОСН3)4 и использованы в качестве сердцевины. Оптическая обо- лочка получена методом MCVD	В2Оз	Отсутствуют	6 (0,85)  4 (0,80)
3	Оптическое волокно полностью изго- товлено из геля алкоголятов Si(OC2H5)4, Ge(OC2H5k	Отсутствуют	8% GeO2	22 (0,85)
4	Частицы стекла получены из алкоголятов Si(OC2H5)4 и Ge(OCH4H9)4. Спекание частиц проведено при температуре около 1800° С	Отсутствуют	GeO2	7 (0,80)
5	Опорная труба для процесса MCVD изго- товлена из коллоидного геля	P2OS; F	GeO2	0,7 (1,15)
6	Опорная тцуба изготовлена из фториро- ванного коллоидного геля с целью согла- сования показателя преломления оптиче- ской оболочки. Толщина оболочки умень- шена в 4 раза	Р2О5; F	GeO2	0,28 (1,55)

Таблица 7.2. Сравнительные характеристики различных технологических
методов производства заготовок

Параметр	MCVD	OVD	VAD	PCVD	Золь-гель- процесс	MSP
Коэффициент за- тухания одномодо- вых ОВ на /.= = 1,3 мкм, дБ/км	0,40	0,35	О',4—0,45	0,4-0,5	0,43	—
Коэффициент за- тухания градиент- ных ОВ на 1= = 1,3 мкм, дБ/км  Коэффициент ши- рокополосности на Х=1,3мкм, МГц км	0,55	0,55	0,55	0,5		0,67
	800-1800	800-1200	700-1200	700-1200	700-1000	—
Скорость осажде- ния частил сажи, г/мин	0,5-2,0	4	0,6-2,0	2,0-3,0	—	—
Минимально воз- можная длина ОВ из заготовки, км	10-30	50	50	до 40	100	100
Число технологи- ческих операций при изготовлении заготовки	1-2	3-4	4-5	1-2	2-3	2-3
7.2.	ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

Технология и оборудование для изготовления волокон с квар-
цевой сердцевиной и кварцевой оптической оболочкой. Для
вытяжки кварцевого ОВ применяют установку вертикального
типа (рис. 7.2), которая состоит из каркаса 1, узла подачи
заготовок 2, печи 3, системы измерения диаметра ОВ 4, узла
нанесения ПЗП на ОВ 5, системы контроля концентричности
ПЗП 6, системы отверждения ПЗП 7, измерителя диаметра
по ПЗП 8, тягового устройства 9, системы испытания ОВ
на механическую прочность 10- -12, компенсатора 13, прием-
ного устройства 14, системы управления 15, систем газоснаб-
жения, водоснабжения, освещения, вентиляции.

Каркас помещен на специальные резиновые амортизаторы,
которые до минимума снижают вибрацию всей установки.
Заготовки крепят в узле подачи заготовок с помощью зажима
цангового типа.

Подачу заготовки осуществляют с помощью прецизионного
винтового приспособления. Центрирование заготовки по оси
X и Y происходит автоматически. Дополнительно предусмотрен
ручной режим центрирования заготовки.

Узел пбдачи заготовки может иметь дополнительный при-
вод, обеспечивающий вращение заготовки с одновременным
ее продольным перемещением.

Печь для вытяжки ОВ должна обеспечивать оптимальный
температурный градиент для максимального переноса тепла
к заготовке в зоне плавления и высокую чистоту атмосферы,
окружаюп^ей заготовку. Основными источниками тепла для
разогрева заготовок являются: газовые горелки (рис. 7.3, а);
СО2-лазеры (рис. 7.3, б); печь с графитовым нагревателем
(рис. 7.3, в); индукционная печь с циркониевым нагревателем
(рис. 7.3, г); индукционная печь с графитовым нагревателем
(рис. 7.3, б).

Конструкция нагревателей с газовыми (кислородно-водород-
ными или кислородно-пропановыми) горелками наиболее про-
стая. Однако наличие турбулентности газовых потоков и при-
сутствие О2 отрицательно влияют на постоянство диаметра ОВ.

Нагрев с помощью СО2-лазеров создает наиболее благо-
приятные условия с точки зрения чистоты. Энергия лазеров
фиксируется на заготовке с помощью линз и зеркал. Лазеры
работают на длине волны около 10 мкм. Однако недостаточная
надежность лазеров, их дороговизна, сложность достижения
нагрева в концентрической области ограничивают применение
эторо метода.

Печй с графитовыми нагревателями наиболее распрост-
ранены для изготовления ОВ. Графитовый нагреватель разо-
гревают электрическим током. При высокой температуре
графит реагирует с кислородом, поэтому внутрь печи подают
инертный газ — аргон. Корпус печи охлаждают водой. Тем-
пературу контролируют пирометром.

В печах с циркониевым нагревателем используют кольца
из ZrO2, которые нагревают с помощью высокочастотного
(ВЧ) индуктора; так как циркониевый нагреватель не реагирует
с кислородом воздуха, то защитная атмосфера инертных газов
не требуется.
Рис. 7.3. Схемы нагревательных устройств для вы-
тяжки ОВ из кварцевых заготовок:

I—заготовка; 2 подача кислорода; 3—водяное охла-
ждение; 4~- подача водорода; 5—ОВ; 6—горелка; 7—
лазер; 8—конический отражатель; 9—отражатель для
поворота лучей лазера на 45"; 10—гальванометр для
коррекции луча лазера по вертикали; II—гальванометр
для коррекции луча лазера по горизонтали; 12—берилли-
евые зеркала; 13—луч лазера; 14 — отверстие в корпусе
для ввода заготовки и выхода ОВ; 15—корпус печи;
16 — зажимы для подсоединения силового кабеля; 17—
грифитовая теплоизоляция; 18—нижний тепловой экран
из графита; 19—графитовый нагревательный элемент;
20—верхний тепловой экран из графита; 21—циркони-
евые нагревательные кольца; 22—кварцевый стакан; 23—
Циркониевая теплоизоляция; 24—индукционная катушка
(индуктор); 25—медный корпус; 26—опорный корпус

мА
Рис. 7.4. Зависимость дополнительных
потерь в одномодовом ОВ на
1=1,55 мкм от температуры в печи уста-
новки вытяжки:

△ —заготовка с сердцевиной GeO2— SiO2
и оболочкой из SiO2; О—заготовка с сердце-
виной из SiO2 и оболочкой из F—SiO2

Печь с использованием ВЧ-нагрева содержит графитовый
цилиндрический нагреватель, расположенный внутри индукци-
онной кадушки. Индукционная катушка находится внутри
защитного кожуха в атмосфере инертного газа (азота или
аргона). Графитовый цилиндр выполняют из очень чистого
материала. Инертный газ тщательно очищают от кислорода
и воды. Предпочтительным является азот вследствие большой
электрической прочности.

Преимущество ВЧ-нагрева заключается в простоте нагре-
вательной печи, стабильности источника тепла и простоте ее
обеспечения (ток в графитовом нагревателе можно регулиро-
вать с точностью до 1%). Необходим тщательный контроль
нагрева заготовки в печи, особенно при вытяжке ОВ с фто-
рированной оптической оболочкой (рис. 7.4).

Температура в печи влияет на усилие вытяжки и, следователь-
но, на профиль показателя преломления вследствие явления
фотоупругости. Распределение остаточных напряжений о по
радиусу г в одномодовом ОВ (рис. 7.5) зависит от усилия вытяжки
(рис. 7.6). При больших усилиях вытяжки Ро в показатель
преломления сердцевины уменьшается (рис. 7.7), что приводит
к возрастанию потерь. Уменьшить возникающие остаточные
напряжения можно путем подбора соотношения вязкостей
оптической оболочки и сердцевины р. Для одномодового ОВ
с кварцевой сердцевицой и фторированной оболочкой р = 0,11.
Возникающие ОВ остаточные напряжения можно уменьшить
путем отжига \при температуре 1000° С в течение 10 мин.

На возникновение остаточных напряжений в стекле могут
влиять условия охлаждения ОВ. Точный расчет скорости
охлаждения ОВ достаточно сложен [63]. Однако в упрощенном
виде расстояние между выходным отверстием печи и входным
отверстием узла для нанесения ПЗП (L) можно рассчитать,
используя эмпирическую формулу L = v/1,25, где v—скорость
вытяжки ОВ, м/с. При скорости вытяжки более 4 м/с L до-
стигает 4 м. Для уменьшения L применяют принудительное
охлаждение ОВ газом. В этом случае [64, 65]
Рис. 7.5. Зависимость
остаточного напряже-
ния в одномодовом
ОВ с кварцевой сердце-
виной и фторирован-
ной оптической обо-
лочкой от радиуса ОВ:
1—усилие	вытяжки

0,85 Н; 2—усилие вытяж-
ки 0,05 Н

Рис. 7.6. Зависимость
остаточного напряже-
ния в одномодовом
ОВ с кварцевой серд-
цевиной и фториро-
ванной оптической
оболочкой от усилия
вытяжки

Рис. 7.7. Зависимость от-
носительного показателя
преломления одномодо-
вого ОВ с кварцевой
сердцевиной и фториро-
ванной оптической обо-
лочкой от радиуса ОВ:
I—усилие вытяжки 0,85 Н;
2—усилие вытяжки 0,05 Н

рСрЬ0

L = kL——xv,
Ct

(7.1)

где kL—коэффициент пропорциональности, зависящий от едини-
цы измерения; р—плотность кварца в единичном сечении ОВ для
кварцевого стекла р=2,2 г/см 2; Ср = 1047 Дж /(кг • °C) — удель-
ная теплоемкость; 2й=125мкм—диаметр световода;
Ct = 26,8 • 10 - 3 Вт/(см - °C) — коэффициент	теплопроводности;

0 = ln(T2 — T^/lTi — То); Т2 и Т\—температура на входе и выходе
охлаждающего устройства; То—температура окружающей среды.
При отсутствии охлаждающего устройства T2 = TS—температуре
размягчения стекла и Тг = Тс—температуре узла нанесения ПЗП.

Система измерения диаметра ОВ основана на использова-
нии лазера (метод лазерного сканирования), который обес-
печивает точность +0,5 мкм измерения даже при вибрации ОВ.

Узел нанесения первичного защитного покрытия на ОВ
позволяет наносить полимерный материал на поверхность ОВ.
Слой ПЗП должен быть концентричным, постоянным по
толщине, не иметь посторонних включений.

Требования к геометрическим параметрам ПЗП во многом
определяют конструкцию узла нанесения ПЗП (рис. 7.8). Ра-
бочая камера, в которой находится материал ПЗП, заканчива-
ется фильерой. Фильера обычно имеет коническую форму
(рис. 7.9). Расчет конуса фильеры важен, так как она определяет
качество ПЗП (сплошность, эксцентриситет и пр.).

Если принять, что жидкий материал ПЗП удовлетворяет
требованию к несжимаемой жидкости, то ее поведение при
Рис. 7.8. Конструкция узла нанесения ПЗП:

1—ОВ; 2—рабочая камера для материала ПЗП; 3—стопор; 4—заглушка сливного
отверстия; 5—резервная камера для заполнения и хранения материала ПЗП; 6—заглушка
сливного отверстия; 7—штуцер подвижного соединения камер 2 и 5; 8—направление
движения ОВ; 9—матрица; 10—каналы водяного охлаждения

течении вдоль оси может быть выражено с помощью уравнения
Лапласа в цилиндрических координатах:

V2r/=0,	(7.2)

I
где vz—скорость жидкости.

С учетом граничных условий можно определить для
цилиндрической фильеры толщину покрытия с помощью
уравнения

ь

21nbjb ’

(13)

где /?„—толщина жидкого ПЗП; b—радиус световода; Ьф—
радиус фильеры.

Из (7.3) следует, что толщина покрытия не зависит от
скорости вытяжки ОВ и от вязкости материала ПЗП. Имеется
слабая зависимость толщины покрытия от диаметра ОВ
(рис. 7.10). В цилиндрической фильере центрирующие усилия
незначительны, поэтому для нанесения покрытия на ОВ
применяют конические фильеры, потоки жидкости в которых
Рис. 7-9. Расположение ОВ в конусе
фильеры при воздействии на него
гидродинамических сил:

j__фильера; 2 -ОВ; р~ угол смещения

осевой линии ОВ от осевой линии фильеры;
е__смещение осевой линии ОВ от осевой

линии фильеры; b—радиус световода;
j —текущий радиус фильеры; Н—толщи-
на жидкого ПЗП в некоторой точке;
а —угол наклона образующей фильеры;

и Ь^г—радиусы входного и выходного
отверстий фильеры

автоматически центрируют ОВ относительно продольной оси.
Давление, создаваемое в жидкости при прохождении ОВ через
коническую фильеру:

= 6jw Г(Л-Л)(/г-Л2)

а,

(Л1 + /г2)/г2

(7-4)

где h—толщина жидкого ПЗП в некоторой точке; ц—вязкость
жидкости; ан—угол наклона образующей; ht и h2—минималь-
ная и максимальная толщины жидкого ПЗП.

Если предположить, что уравнение действительно для
ОВ, движущегося через коническую фильеру со смещением
е от центральной оси (см. рис. 7.9), то общее усилие,

2^

7,fi

7,2

0,6-

0	12	3 9ан,град

Рис. 7.11. Зависимость восстанавли-
вающей силы от половины угла
конуса

А,мкм

Рис. 7.10. Зависимость толщины ПЗП
ОВ от его диаметра для цилиндричес-
кой фильеры
действующее на ОВ в сторону его смещения к центру, можно
определить как

2П Ьф2

Pcos

(7-5)

где

О ЬФ1

р= бцг Г(Н-Н^Н-Нг)! .

ан |_ (Н1+Н2)Н2 J’

Н=х/(^ф —е2 sin2 Р) + еcos Р~Ь.

Решение, приведенное в графической форме на рис. 7.11,
показываете, что для перечисленных параметров максимальное
усилие создается при 0^ = 2°. Зависимость концентричности
покрытия от несоосности фильеры и ОВ показана на рис. 7.12.
Положение ОВ в фильере стабилизируется, когда восстанав-
ливающая сила становится равной усилию смещения оси,
возникающему в результате натяжения ОВ.

Однако чтрактически фильера состоит из конической и цилин-
дрической частей. Из (7.2) усилие натяжения световода через
фильеру можно определить как

фильеры, мкм

Рис. 7.12. Зависимость концентричности покрытия
от смещения ОВ от центральной оси фильеры:
1—диаметр цилиндрической фильеры 270 мкм; 2—диа-
метр на выходе конической фильеры 296 мкм

Рис. 7.13. Двухслойное наложение ПЗП с помощью
двух последовательно расположенных фильер:

1—ОВ; 2 и 6—материалы ПЗП с вязкостью щ и р2
соответственно; 3—первая фильера; 4—коническая часть
фильеры; 5—цилиндрическая часть фильеры; 7—вторая
фильера

|z
где Тф—длина цилиндрической части фильеры; у(Ь)—коэф-
фициент сдвига [y(r) = dv/dr]; v—скорость вытяжки; в—посто-
янная, зависящая от ц и диаметра отверстия фильеры. В этом
случае цилиндрическая часть должна быть очень короткой,
чтобы уменьшить возникающее усилие натяжения.

При больших скоростях (более 4 м/мин) наложение ПЗП
на световод лучше проводить с использованием двух после-
довательно расположенных фильер (рис. 7.13) или повышенного
давления.

Решение уравнения (7.2), определяющее распределение ско-
ростей a(z) и усилий приведено в [79]. Из полученных данных
следует, что диаметр фильер зависит только от отношения
Щ и ц2-

При скоростях вытяжки ОВ свыше 2,5 — 3 м/с в устройствах
для нанесения ПЗП создают повышенное давление для пред-
отвращения образования пузырьков и разрыва полимерного
покрытия. Давление в системе равно 0,7 МПа, что обеспечивает
скорость вытяжки ОВ до 5 м/с при диаметре ОВ 125 мкм
и допуске на некруглость и неконцентричность +5 мкм.
Повышая давление, можно достичь скорости 24 м/с. Толщина
слоя ПЗП при повышенном давлении в узле ПЗП

^ф

. (I-*2)2
In А:

(1-*2)Г-5 к

21пк J

(7.7)

S 1-И

где k = blb$, S=^pzb^j^>\wL—безразмерный параметр: Ара —
разница давлений внутри узла нанесения ПЗП и атмосферы;
L—длина отверстия фильеры;

A/>a = 4pv£/[Z>2-Z>|-2Z>2(lnfc)].	(7.8)

Коэффициент, характеризующий деформации сдвига,

ус = vfb In к.	(7.9)

В [66] рассматривается конструкция сдвоенной фильеры
для нанесения ПЗП на ОВ при повышенном давлении.

Система контроля концентричности первичного ПЗП ос-
нована на явлении дифракции и интерференции света. Кон-
центричность покрытия относительно ОВ измеряют с помощью
гелий-неонового лазерного интерферометра. В зависимости от
наблюдаемой картины узел нанесения ПЗП перемещают вруч-
ную или автоматически, добиваясь наилучшей концентричности.
Точность нанесения однослойного покрытия +1 мкм, для
двойного + 2 мкм.

Система отверждения ПЗП выполняется двух типов: те-
пловая или ультрафиолетовая. Тепловая система представляет
собой печь (или печи), в которые при необходимости подают
инертный газ. Температура в печи достигает 800° С, количество
печей в зависимости от скорости вытяжки может достигать
трех, точность поддержания температуры ±2° С.

УФ-печь применяют для отверждения эпоксиакрилатов,
кремнийорганических компаундов и уретанакрилатов. Поли-
меризация осуществляется в атмосфере азота, что в значитель-
ной мере ускоряет весь процесс.

Измеритель диаметра по ПЗП аналогичен измерителю
диаметра ОВ.

Тяговое устройство ременного типа обеспечивает посто-
янство скорости с точностью 0,5%.

Система испытания ОВ на механическую прочность пред-
назначена для выявления механических дефектов О В по всей
его длине. Принцип действия заключается в перемотке ОВ
при заданном напряжении. Это напряжение можно создать
путем приложения к ОК растягивающей нагрузки или одно-
временно растягивающей и изгибающей нагрузок.

В первой конструкции ОВ проходит через четыре секции,
в каждой из которых размещены в одной плоскости три ролика
(рис. 7.2, поз. 10). Плоскости расположения роликов сдвинуты
относительно друг друга на некоторый угол. Средний из/каждых
трех ролинов подвижен и перемещается по плоскости, изгибая
ОВ и создавая некоторое натяжение. В ОВ возникают напряже-
ния изгиба (в большей степени) и растяжения (в меньшей
степени). Изменяя положение среднего ролика, а также диамет-
ры роликов, можно обеспечить требуемое усилие в ОВ. Система
снабжена датчиками, сигнализирующими об обрыве ОВ.

Во второй конструкции (рис. 7.2, поз. 11) ОВ проходит
через систему из трех роликов достаточно большого диаметра,
что обеспечивает значительные растягивающие и незначительно
изгибающие нагрузки. Наличие ременных тяг на первом
и третьем роликах и свободно перемещающегося по вертикали
второго ролика, связанного с регулятором натяжения, обес-
печивает ограниченную зону воздействия усилий на ОВ и его
намотку на приемную катушку практически без натяжения.

Третья конструкция представляет собой два легких алю-
миниевых ролика различного диаметра, связанных друг с дру-
гом приводным ремнем (рис. 7.2, поз. 12). Скольжение ОВ по
роликам предотвращается с помощью прижимных ремней.
Путем изменения разницы диаметров роликов достигают
требуемого натяжения ОВ (от 0 до 1% теоретического значения
прочности кварцевого ОВ). Данная конструкция может рабо-
тать одновременно и как тяга.

Четвертая конструкция похожа на предыдущую, но в от-
личие от нее ролики имеют одинаковый диаметр и каждый
снабжен индивидуальным приводом. Разница скоростей враще-
ния роликов обеспечивает требуемое натяжение от 0 до 3%
теоретического значения прочности.

1	160
Система испытания ОВ на механическую прочность может
служить в качестве датчика натяжения ОВ при его вытяжке.
Допустимое натяжение не должно превышать 0,1 Н.

Технология и оборудование для изготовления ОВ с кварцевой
сердцевиной и полимерной оптической оболочкой. Технологическая
схема изготовления ОВ с кварцевой сердцевиной и полимерной
оптической оболочкой включает в себя следующие операции:
разогрев заготовки в печи, вытяжку ОВ, нанесение на волокно
кремнийорганического компаунда в качестве светоотражающего
слоя, полимеризацию компаунда в печи, нанесение защитного
полимерного покрытия, укладку ОВ на приемную катушку. Схема
установки для вытяжки ОВ представлена на рис. 7.14. Установка
для вытяжки снабжена автоматизированными системами регули-
ровки толщины оптической оболочки, толщины защитного
полимерного покрытия и диаметра кварцевой сердцевины,
устройством контроля механической прочности ОВ и пр.

Рис. 7.15. Схема установки
для вытяжки ОВ методом
двойного тигля:

1—материал сердцевины; 2—
внутренний тигель; 3—внешний
тигель; 4—материал оптической
оболочки; 5—печь; 6—ОВ; 7—
приемное устройство

Рис. 7.14. Схема установки для вытяжки ОВ с кварцевой сердцевиной и поли-
мерной оптической оболочкой;

1—заготовка; 2—механизм передачи; 3—горелка; 4—датчик диаметра; 5—трубчатый
холодильник; б—пусковое тяговое устройство; 7—фильера для нанесения оптической
оболочки; 8—инжектор; 9—печь полимеризации оптической оболочки; 10—измеритель
диаметра; 11—экструдер для нанесения полимерной защитной оболочки; 12 -тяговое
устройство с испытанием ОВ на изгиб с натяжением; 13—приемное устройство

*1*1 Заказ 2460

161
Технология и оборудование для изготовления ОВ из много-
компонентного стекла. ОВ из многокомпонентного стекла
можно изготовлять на установке, рассмотренной в § 7.4,
а также методами двойного тигля (рис. 7.15) и «стержень
в трубке».

Тигли изготовляют из чистой платины или ее сплавов.
Для внутреннего тигля можно использовать чистый кварц.
Оба тигля сужаются книзу к концентрическим фильерам, из
которых стекла вытягиваются в ОВ. Двойной тигель нагрева-
ется электропечью до температуры плавления обоих стекол.
При диаметрах фильер 0,5 и 3 мм диаметры- сердцевины
и оптической оболочки ОВ составляют 10—20 и (70—100 мкм.

С помощью методов двойного тигля и «стержень в трубке»
можно изготовлять ОВ с градиентным и ступенчатым про-
филями показателя преломления.

Градиентный профиль получают методом ионного обмена
между материалами сердцевины и оболочки. Из-за большой
вязкости стекла при температуре вытяжки ОВ процессы
неконвективного обмена между слоями затруднены, а подви-
жность ионов обычно обратно пропорциональна их валент-
ности. Дйффузия трех- и четырехвалентных ионов столь
незначительна, что почти никаких данных на этот счет не
существует. Однако ею нельзя полностью пренебречь даже
при диффузии на очень малые расстояния, имеющие место
в одномодовых ОВ. При вытяжке ОВ со ступенчатым профилем
показателя преломления следует избегать в составе стекла
одновалентных ионов (ионы щелочных металлов, таллия
и меди). Среди одновалентных ионов ионы таллия оказывают
существенное влияние на показатель преломления, поэтому
его можно рекомендовать при получении ОВ из многоком-
понентного стекла с градиентным профилем показателя прелом-
ления.

При использовании метода двойного тигля наилучшие
результаты получены при применении натрий-боросиликатного
стекла с добавками таллия в качестве сердцевины (внутренний
тигель) и чистого натрий-боросиликатного стекла в качестве
оптической оболочки (внешний тигель). Скорость вытяжки ОВ
достигает 2,8 м/с.

Технология и оборудование для изготовления ОВ с полимер-
ными сердцевиной и оптической оболочкой. Метод экструзии.
В общем случае технологическая цепочка включает в себя
два экструдера, расположенных последовательно друг за дру-
гом. Первый из них изготовляет сердцевину, а второй
накладывает оптическую оболочку. Разработаны технологичес-
кие схемы использования двушнековых экструдеров со специ-
альной головкой. Температура В головке экструдера зависит
от вида перерабатываемого материала и может колебаться
162
от 180 до 280° С. Метод высокопроизводительный, но связан
с применением для изготовления ОВ гранулированных высо-
кочистых материалов, оборудования из нейтральных сплавов
и полного удаления летучих компонентов в процессе экструзии.

Плунжерный метод. В качестве исходного материала
можно использовать гранулят или сплошную заготовку, по
форме и размеру соответствующую цилиндру. Цилиндр нагре-
вают и сердцевину ОВ выдавливают с помощью плунжера
через фильеру. Оболочку наносят пропусканием сердцевины
через расплав или раствор соответствующего материала.

Вытяжку ОВ можно осуществлять методами, рассмотрен-
ными в § 7.4, из заготовок, полученных путем обменной
диффузии.

ГЛАВА ВОСЬМАЯ

ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ

8.1.	ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ ТИПА I И II

Технологические операции по изготовлению ОК выполня-
ются при поступательном (осевом) перемещении элементов
кабеля через машину или агрегат. Благодаря одинаковому
диаметру ОВ или скрутке из ОВ по длине имеется возможность
непрерывного наложения полимерной оболочки заданной тол-
щины. Последовательность технологических операций кабель-
ного производства должна обеспечивать получение кабеля
заданной конструкции с заданными оптическими или физико-
механическими свойствами, нормированной строительной дли-
ны и гарантированной надежности. Различие в конструкциях
кабельных изделий обусловливает различную последователь-
ность технологических процессов и оцераций.

Наложение ПЗО и ТЗО на ОВ проводят с помощью
экструзионных линий с. диаметром шнека 25—32 мм (рис. 8.1).
В некоторых случаях вместо ПЗО из экструдируемых матери-
алов используют специальные УФ-отверждаемые акрилатные
полимеры, наносимые протягиванием ОВ через фильеру. Тех-
нические данные применяемого материала приведены
в табл. 3.3.

Для скрутки ОВ и ПЗО применяют крутильные машины
клетьевого, дискового типов или разнонаправленной скрутки
(.S'Z-скрутки, реверсивной скрутки) (рис. 8.2—8.4). Крутильные
машины позволяют точно регулировать натяжение каждого
ОВ в пределах от 0,3 до 5,0 Н с помощью систем механического
13

Рис. 8.1. Схема экструзионной линии для наложения полимерной защитной оболочки на ОВ:

1—отдающее устройство; 2—толкающее устройство с компенсатором; 3—ОВ; 4—устройство для вакуумирования головки; 5—устройство
для гидрофобного заполнения ТЗО; 6—экструдер; 7—шкаф управления; 8—ванна охлаждения; 9—обдув воздухом; 10—измеритель
диаметра; 11 — узел для испытания механической прочности ОВ по всей длине; 12—компенсатор; 13—тяговое устройство; 14—приемная
катушка; 15—сдвоенные приемные катушки
Рис. 8.2. Схема клетьевой однофонарной крутильной машины:

}—отдающее устройство для сердечника ОВ; 2—тяговое (толкающее устройство);
5—фонарь крутильной машины; 4—розетка; 5—лентообмотчик; 6—тяговое устройство;

7—синхронизатор; 8—приемное устройство

Рис. 8.3. Схема крутильной машины дискового типа:

I — отдающее устройство; 2—направляющие ролики; 3—тяговое (толкающее) устройство;
4—дисковая крутильная машина; 5—розетка; б—лентообмотчик; 7—тяговое устройство;

8— счетчик длины; 9—синхронизатор; 10—приемное устройство

Рис. 8.4. Схема машины разнонаправленной скрутки в профилированный
сердечник:

1—отдающее устройство для сердечника; 2—60 отдатчиков для ОВ (по 30 с каждой
стороны); 3— тяговые устройства; 4 — фотоэлементы контроля целостности ОВ; 5 —
крутильная головка; 6—обмотка скрепляющей нитью; 7—тяговое устройство; 8—прием-
ное устройство

типа или электронных следящих устройств. Машины оснащены
ЭВМ, управляющей всем технологическим процессом.

Разработаны машины с синхронно вращающимися от-
дающим устройством для сердечника и приемным устройством.
Отдающие устройства для ОВ неподвижны и расположены
симметрично с каждой стороны от продольной оси машины
под некоторым углом.

При наложении на ОВ ТЗО, а также защитных оболочек на
скрутку из ОВ желательно заполнить имеющиеся промежутки
гидрофобным материалом для защиты от проникновения воды
и выравнивания давления внутри ОК при воздействии внешних
сил. Наложение защитной полимерной оболочки проводят на
экструзионных линиях с диаметром шнека 45 мм и более.

8.2.	ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ ТИПА III

Ленточная конструкция ОК может быть изготовлена ме-
тодами экструзии, контактно-тепловой сварки или склеивания
ОВ друг с другом в продольном направлении акрилатным
лаком, полимеризующимся под воздействием УФ-излучения.
В последнем случае ОВ сматывают с отдающих катушек
с контролируемым натяжением, проводят через встроенный
в линию *узел окраски и через ряд направляющих, вырав-
нивающих волокон относительно друг друга в одной плоскости.
Затем ОВ проводят через узел, в котором на них наносят
лак, заполняющий промежутки между волокнами, и размещают
их между двумя полимерными лентами. Лак полимеризуется
под воздействием УФ-излучения и ленты удаляют. Скорость
изготовления достигает 1000 м/мин. При этом можно изготов-
лять за один проход несколько ленточных оптических проводов.
Можно изготовление ленточного ОК проводить без исполь-
зования полимерных лент.

При скрутке ленточных элементов в ОК (см. § 5.2) оси
ОВ находятся под углом 40—45° к оси ОК. Поэтому при
наложении растягивающих нагрузок в ОВ будут возникать
не только растягивающие, но и изгибающие усилия и усилия
сдвига.

Рис. 8.5. Схема изготовления ЛЭ с пред-
варительной откруткой ОВ:

7— отдающее устройство ОВ с подкруткой; 2—
экструдер; 3—охлаждающее приспособление; 4—
калибрующие ролики; 5—ЛЭ

Рис. 8.6. Сравнение рассчитанных значений напряжений сдвига в ОВ ЛЭ:
1—без предварительной открутки; 2—с предварительной откруткой
Если в ОВ имеется дефект—трещина, которая теоретически
имеет форму эллипса, то коэффициент концентрации напряже-
ния в этом случае зависит в значительной степени от угла
между основной осью эллипса и направлением приложения
нагрузки.

Для уменьшения напряжения сдвига, которое зависит от
степени закручивания ОВ, предложен метод предварительной
открутки ОВ при операции изготовления (рис. 8.5) ЛЭ. На
рис. 8.6 показано сравнение рассчитанных значений напряжений
сдвига в ОВ ЛЭ с предварительной откруткой ОВ и без нее.

8.3.	ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ ТИПА IV

Профилированный сердечник изготовляют методом экст-
рузии. Армирующий элемент поступает в головку червячного
пресса с вращающейся матрицей. Матрица имеет специальные
пазы, с помощью которых она соединена с приводом. В линии
для изготовления профилированного сердечника его укладка
может быть предусмотрена в контейнеры (бухту). Сердечник
может иметь от 4 до 12 пазов. Диаметр сердечника 3—8 мм
со стальным или неметаллическим армирующим элементом.
Линейная скорость изготовления сердечника—до 100 м/мин.
Шаг спиральной канавки (паз) от 100 до 200 мм.

Спирали профилированного сердечника могут быть выпол-
нены с переменным направлением, т. е. обеспечивать укладку
ОВ с помощью машин разнонаправленной скрутки.

Укладку ОВ в пазы профилированного сердечника проводят
с помощью специальной головки, которая крепится к оси
крутильной машины. Профилированный сердечник проходит
с таким натяжением, чтобы в итоге получить заданный
избыток ОВ в пазу сердечника. Усилие растяжения сердечника
измеряет специальный датчик, установленный перед крутильной
машиной.

8.4.	ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ ТИПА V

Для изготовления ОК типа V можно применять ОВ
в ПЗП. Защиту от растягивающих нагрузок обеспечивают
введением внутрь трубки высокопрочных синтетических нитей
или скруткой или оплеткой этими нитями вокруг трубки
перед наложением внешней защитной оболочки из поли-
винилхлорида или полиэтилена. Трубчатая конструкция обес-
печивает подвижность ОВ.

Первичную трубку изготовляют на линиях, аналогич-
ных линиям с многокатушечным отдатчиком (рис. 8.1).
7

Рис. 8.7. Схема устройства вертикального типа для изготовления ОК типа V:
1—два отдающих узла на шесть катушек с ОВ каждый; 2—крутильная машина
разнонаправленной скрутки с резервуаром для заполнения гидрофобным материалом
пространства между скручиваемыми ОВ; 3—экструдер для наложения ТЗО; 4—устройство
для заполнения ТЗО гидрофобным материалом; 5—воздушное охлаждение; 6—контроль
диаметра ТЗО; 7—экструдер для наложения внешней оболочки; 8 — охлаждающая ванна
с водой; 9—сушка, маркировка и контроль диаметра; 10—тяговое устройство; 11—
тарелка для приема ОК

Линию можно дополнять устройством для введения желе-
образного заполнения. Обмотку трубки высокопрочными
синтетическими нитями осуществляют на обычных обмоточ-
ных машинах.

Оплетку нитями или при необходимости стальными про-
волоками проводят, на оплеточных машинах в основном
челночного типа. Оплетка должна быть симметричной при
одинаковом натяжении нитей или проволок. Наложение внещ-
ней полимерной оболочки осуществляют с помощью экструдера
с диаметром шнека 45 мм и более.

Изготовление ОК типа V можно проводить с помощью
установки, представленной на рис. 8.7. Здесь 12 ОВ скручивают
с помощью реверсивной скрутки внутри трубки с двойной
полимерной оболочкой, заполненной гидрофобным материа-
лом. Прием ОК осуществляют в специальные тарелки. Вер-
тикальное расположение установки позволяет существенно
уменьшить занимаемую, площадь.
8.5.	ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ НАЛОЖЕНИЯ НА ОПТИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ УСИЛЕННЫХ
ЗАЩИТНЫХ ОБОЛОЧЕК

Для наложения металлических алюминиевых и стальных
оболочек на ОК используют дуговую сварку в среде инертных
газов (аргона, гелия или их смеси).

Для повышения гибкости алюминиевых и стальных обо-
лочек их гофрируют. При гофрировании выпуклые участки
почти не нагартовываются и обеспечивают достаточную гиб-
кость ОК при его изгибах. Гофрированные оболочки хорошо
противостоят сжимающим усилиям.

При изготовлении алюмополиэтиленовой оболочки (алю-
миниевая лента толщиной 0,15 мм, на которой находится
слой полиэтилена) ленту из этого материала накладывают
продольно одновременно с наложением внешней полиэтиле-
новой оболочки, причем при наложении обеспечивается пере-
крытие кромок ленты. При этом происходит их сваривание,
что исключает образование между оболочкой и лентой сво-
бодного пространства.

Защитные покровы, предназначенные для защиты ОК от
механических повреждений и коррозии, состоят, как правило,
из следующих элементов: подушки, брони и наружного защит-
ного покрова. Броню выполняют из стальных лен г и проволок.
Подушка состоит из чередующихся слоев битума, нитей из
технического стекла. Возможно использование жгутов из сте-
клонитей в полимерной оболочке. Внешний защитный шланг
выполняют из полиэтилена или поливинилхлорида.

ГЛАВА ДЕВЯТАЯ

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
НА ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ

9.1.	ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФАКТОРОВ ВЛИЯНИЯ
НА ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ

К факторам внешних влияний, воздействующих на ОК,
относятся: 1) температура; 2) механические усилия различного
вида и происхождения; 3) влажность; 4) агрессивность окру-
жающей среды; 5) водород, присутствующий в окружающей
среде; 6) сильные электромагнитные поля; 7) радиация. В от-
личие от традиционных кабелей связи ОК в большей степени
подвержены влиянию факторов 1, 2, 7, которые влияют на
параметры ОК, определяющие характеристики передачи. Из-
менение окружающей кабель температуры заметно влияет на
его коэффициент затухания. Далее мы подробнее остановимся
на механизме этого воздействия.

Механические усилия, приложенные к волокну, и связанные
с ними деформации приводят также к локальным повышениям
затухания и к нарушению структуры поля при многомодовых
волокнах, а следовательно, к изменению его передающих
характеристик ОВ.

В одномодовом кабеле подобное воздействие вызывает
изменение длины волны отсечки ?-.с и при достаточно больших
усилиях, приложенных к волокну, возникают дополнительные
потери на рассеяние.

При проникновении в ОК влаги создаются условия, наруша-
ющие прочность волокна и однородность его внешней оболоч-
ки; последнее может привести к увеличению значения составля-
ющей затухания на рассеяние, а при длительном воздействии
влаги снижается прочность волокна и ускоряется его старение.

Агрессивность среды, в которой может оказаться кабель,
характеризуется ее химическим составом и прежде всего может
повлиять на внешнюю оболочку кабеля, а при разрушении
последней кабель считается поврежденным независимо от
состояния его ОВ.

Влияние водорода, присутствующего во влаге или в парах
окружающей атмосферы, продиффундировавшего в ОВ, при
определенных условиях (образование в материале волокна
группы ОН) проявляется в существенном повышении затухания
кабеля. Такое явление может иметь или восстанавливаемый
характер, или остаточный (т. е. после удаления волокна из
среды, содержащей водород, повышенное затухание остается).
Этот эффект и его механизм будут рассмотрены далее.

Воздействие сильных электромагнитных импульсов (ЭМИ)
на ОК в тех случаях, когда он содержит металлическую
оболочку или питающий электрический провод, может вызвать,
как и в обычных кабелях связи, опасные токи в проводящих
элементах, разрушающие последние.

Кроме того, могут возникнуть электродинамические воз-
действия между проводящими элементами, которые приведут
к механическим разрушениям волокна.

Рассмотрение возможных нарушений проводящих элементов,
может быть проведено теми же методами, которые раз-'
работаны применительно к традиционным кабелям связи.

Если ОК не содержит проводящих элементов, указанный
механизм разрушения отсутствует, однако это не означает
полной неподверженности таких кабелей влиянию мощных
ЭМИ.

Следует различать два вида последствий воздействия им-
пульсов: а) необратимые нарушения целостности кабеля, при-
водящие к полному, необратимому нарушению связи; б) вре-
менные (на период воздействия ЭМИ) нарушения передачи
сигналов информации из-за появления помех.

Сущность механизма и результаты воздействия ЭМИ на
ОК являются предметом особого рассмотрения, выходящего
за рамки настоящей книги.

Воздействие радиации существенно прежде всего для ОВ.
В этом отношении ОК следует считать более подверженным
такому влиянию, чем обычные кабели связи. Под воздействием
радиации затухание волокна значительно возрастает, причем
это явление может иметь временный или остаточный характер.

В первом случае после прекращения радиации или умень-
шения ее до некоторого уровня затухание восстанавливается
до исходного значения, во втором—после прекращения ради-
ации значение затухания остается большим, чем первоначальное
значение.

Результатом радиационного облучения ОВ может быть
также появление шумов, возникающих при радиации, природа
которых связана с процессами изменения во времени затухания
волокна в различных его участках.

Эти шумы могут быть причиной нарушения связи неза-
висимо от конечного значения повышенного затухания волокна.

9.2.	ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Непосредственное влияние температуры на затухание ОВ
в пределах, соответствующих сезонным изменениям темпера-
туры в почве на глубине прокладки кабеля, в средней полосе
Советского Союза невелико.

Воздействие температуры на полимерные элементы конст-
рукции кабеля (например, на его оболочку) не рассматриваем,
так как это влияние не является специфическим для ОК
и хорошо известно.

Теоретическая зависимость температуры грунта, в котором
проложен кабель, от глубины h прокладки и от времени
t при периодическом изменении температуры на поверхности
почвы определяется выражением

7’гр = Тяехр Г — hJ'n.lC(t)T0] sin| 2л — — h^/njc(г)т0 ),
\ то	/

где Тя—амплитуда колебания температуры на поверхности
грунта; C(t)—коэффициент теплопроводности грунта; т0 — пе-
риод изменения температуры.

При выводе этого выражения была принята диффузионная
модель распространения тепла и гармонический характер
периодического изменения температуры.

Анализ приведенной зависимости показывает, что с ростом
глубины степень изменения температуры грунта уменьшается.
С уменьшением периода изменения температуры снижается
амплитуда колебаний температуры грунта на заданной его
глубине.

В результате обработки опытных данных, относящихся
к среднеевропейской территории СССР, получено, что на
глубинах, в пределах которых может быть проложен кабель,
изменение среднемесячных годовых температур составляет
11 —13° С, а перепад температур за год может достигать
25° С (для азиатской части Союза 30° С).

Значение затухания качественных ОВ при указанных измене-
ниях температуры изменяется незначительно. При этом имеется
в виду волокно без защитного покрытия и микроизгибов.

В реальных условиях вследствие различных значений ТКЛР
волокна и оболочки, связанных друг с другом в различной
степени (зависящей от вида укладки волокна и состояния его
поверхности), возникают внутренние напряжения в волокне,
изменяющие значение показателя преломления.

Независимо от этого показатель преломления ОВ изменя-
ется непосредственно под влиянием температуры (это изменение
зависит от значения термического коэффициента показателя
преломления). В результате изменяются апертура волокна
и длина волны отсечки (при одномодовом волокне). Как
следствие таких нарушений изменяется коэффициент распрост-
ранения одномодового волокна и модовая структура много-
модового. Все это нарушает характеристики передачи и вызы-
вает возрастание потерь на рассеяние, т. е. увеличивает затуха-
ние кабеля.

Изменение разности показателей преломления сердцевины
и оболочки для многомодового волокна с сердцевиной из
кремния и боросиликатной оболочкой 8(щ — и2) = 0,8 • 10~5/Т,
где Т—температура, °C.

Так, в диапазоне температур от —50 до +50° С
8(п1 — п2)&±4% при исходном значении Ди = 0,008. Для бо-
росиликатной сердцевины, легированной оксидом германия,
температурная зависимость меньше.

Для одномодового волокна влияние температуры на
8(и1 — п2) практически не нарушает одномодовый режим, но
значение волны отсечки Хс изменяется. Влияние температуры
на появление термических напряжений, дающих свой вклад
в изменение показателей преломления, количественно учесть
достаточно сложно. Некоторой иллюстрацией такого влияния
являются данные об изменении числовой апертуры при ис-
ходном ее значении ДМ = 0,2. В реальном диапазоне температур
8 (NA)& 4%.

Возникновение упругих напряжений, связанных с воздейст-
вием температуры, следует отнести не только к волокну
в защитной оболочке, но и ко всей конструкции кабеля,
ТКЛР элементов которой весьма отличны друг от друга,
а механические связи между элементами конструкции сложны.

В этих условиях термическая деформация всей конструкции
кабеля приводит к сложным, трудноучитываемым и относитель-
но большим упругим деформациям в ОВ. В результате может
заметно увеличиться затухание ОК из-за роста потерь на
рассеяние.

9.3.	ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ УСИЛИЙ

Как уже было сказано, упругие деформации, вызванные
механическими усилиями, приводят к изменению длины волны
отсечки, дополнительным потерям на рассеяние. Но в итоге,
однако, влияние механических усилий может быть более
существенным и разнообразным по своим проявлениям.

Источники механических напряжений могут быть первич-
ными, связанными с остаточными деформациями, обязанными
технологии производства кабеля; вторичными, возникшими
в процессе прокладки и эксплуатации кабеля.

Остаточные деформации в волокнах в процессе производства
кабеля могут возникнуть, например, при наложении на волокно
защитной оболочки (при плотной укладке волокон). Сущест-
венным фактором при этой операции может явиться нагрев,
при котором из-за различия ТКЛР материалов волокна
и оболочки и при наличии участков адгезии возникают
локальные остаточные напряжения. Другой причиной могут
быть повивы волокна при малом шаге повива или при
недостаточной открутке волокна (обязательной при повиве).

Причиной остаточной деформации, хотя и незначительной,
но распределенной по длине, может быть длительное хранение
кабеля на барабане, диаметр которого меньше допустимого.

При прокладке ОК, особенно при его протяжке в телефон-
ной канализации, вследствие сил сопротивления необходимое
прикладываемое к кабелю усилие в той или иной степени
передается волокнам. Это усилие может достигать значений,
при которых вероятны остаточные деформации в волокнах,
а также в экстремальных случаях—деформация всей конст-
рукции кабеля.

В процессе эксплуатации кабеля наиболее существенными
являются усилия, связанные с появлением морозного пучения
грунта или его непредсказуемыми сдвигами различного проис-
хождения.

Кроме влияния деформаций на затухание кабеля и на его
характеристики передачи следует учитывать снижение прочно-
сти волокна. Вероятность разрушения волокна заданной длины
I под воздействием напряжения в течение времени t описывается
распределением Вейбулла:
/7	\ 7 Г I f C\mf t\b

p(l; c; 0=1-exp - - —-	-	,

4>Wo/ Vo/

(9-1)

где- t0—временная постоянная трещины, являющейся началом
разрушения; т определяет плотность распределения дефектов
по длине волокна; /0—длина данного волокна при испытании
его на разрыв; <э0—разрушающее напряжение при разрыве
(на длине /0).

Исследованиями было показано, что при воздействии пер-
воначального напряжения со на эллиптическую трещину, радиус
конца которой р, размер ее меняется во времени по закону

^ = (2Ло07х/р)Ь,

(9-2)

где со—разрушающее напряжение при глубине трещины ха.

Время роста трещины от первоначального размера х0 до
размера ха, при котором происходит разрушение,

(9-3)

Коэффициент b = 20 = 25; А—постоянная, зависящая от матери-
ала волокна, наличия и степени влажности.

9.4.	ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ

Основное влияние влаги сказывается на ускорении воз-
можного разрушения волокна и на увеличении затухания из-за
роста мощности рассеяния вследствие возникновения и развития
неоднородной структуры поверхности внешней оптической
оболочки. Адсорбция влаги или водных растворов поверх-
ностно-активных веществ на поверхности волокна способствует
образованию микротрещин и снижению его прочности. Так
как в поле механических напряжений процессы диффузии
ускоряются, то при наличии остаточных деформаций или при
приложении внешних сил влага быстрее диффундирует по
границам микротрещин, что, в свою очередь, ускоряет процессы
разрушения волокна.

Можно сказать, что почти для всех существующих видов
ОВ проникновение влаги может снизить их прочность (из-за
развития микротрещин) на 15—30%.

В относительно сухом воздухе в неполярной среде и после
гидрофобизации поверхности волокна указанные явления не
наблюдаются. Следует отметить также, что влага уменьшает
сопротивление изгибу волокна.

К рассмотренному влиянию влаги примыкает также воз-
действие жидких агрессивных сред (например, морская вода,
жидкости, характеризуемые повышенной кислотностью или
щелочностью).

Влияние таких сред на волокно не рассматриваем, так
как такое влияние должно быть исключено выбором материала
и конструкции ОК.

9.5.	ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА

В большом числе работ, относящихся к опыту эксплуатации
ВОСП информации и к специальным экспериментальным ис-
следованиям, приведены данные о влиянии водорода на затуха-
ние ОВ. В основном исследовались процессы диффузии водорода
в волокно и последствия этого явления (увеличения затухания).

Исследуемые ОВ выдерживали в атмосфере, содержащей
водород при различных давлении, температуре и концентрации
водорода. После выдержки волокна в этой среде затухание
оказывалось больше, чем до погружения в атмосферу с водородом.

После выдержки на воздухе, через десятки или сотни часов (в
зависимости от степени насыщения водородом), затухание
уменьшалось и постепенно возвращалось к исходному значе-
нию. Время пребывания волокна в водороде было соизмеримым
с временем восстановления затухания и соответствовало време-
ни, в течение которого наступало насыщение (т. е. затухание
больше не увеличивалось при пребывании волокна в атмосфере
водорода). Исследования показали, что время насыщения
соответствовало времени диффузии водорода в волокне.

Опыты показали, что увеличение затухания имело место только
во время нахождения волокна в водороде и в течение ограниченного
времени после удаления волокна из атмосферы водорода.
Исключениями являлись случаи одновременного с выдержкой
в водороде нагрева волокна до температуры 200—300° С, при этом
наблюдалось повышенное остаточное затухание.

Исследования проводились в диапазоне длин волн 1,3—1,55
мкм, широко используемом в ВОСП информации. Максимумы
затухания имеют место в областях Х=1,4 и 1,53 мкм.
Механизм затухания, вызванного наличием водорода, связан
с так называемыми фундаментальными потерями, которые
вызываются поглощением энергии на основной резонансной
частоте спектра молекулярного водорода, a i акже на обертонах
спектра (или вблизи их значений). В ряде случаев было
обнаружено образование группы ОН, имевшее остаточный
характер при одновременном нагреве до температуры 200° С.

Влияние радикала ОН на затухание также определяется
его спектром поглощения, которое существенно в области
Х= 1,34-1,5 мкм.

Увеличение коэффициента затухания Дос под влиянием
водорода можно иллюстрировать следующими цифрами: в диа-
пазоне Х= 1,2= 1,25 мкм при первоначальном ос = 0,5 дБ/км
Дсс = 4 дБ/км, а при £=1,5 мкм и сс = 0,3 дБ/км Дос=4 дБ/км.
Давление водорода р = 200 кПа. Насыщение наступало через
250 ч, Дос = 25 дБ/км. Исследованием спектра поглощения, связан-
ного с воздействием водорода, были установлены пики на волнах
X, равных 1,08; 1,13; 1,2; 1,24; 1,59; 1,64; 1,70; 1,76; 1,88 мкм.

Влияние радикала ОН на увеличение затухания существенно
больше влияния молекулярного водорода Н2. Появление
остаточного затухания под воздействием температуры в процес-
се насыщения волокна водородом связано с появлением
радикала ОН, образование которого явилось следствием диф-
фузии атомов водорода и последующего образования под
влиянием температуры устойчивой связи Si —ОН.

Повышение затухания при этом необратимо сохраняется
и после удаления волокна из атмосферы водорода. В ряде
работ было показано, что образованию Si —ОН способствует
также наличие дефектов в связях, входящих в кварц: Si—О—Si.
Источниками таких дефектов связей являются, в частности,
легирующие добавки Р2О5; GeO2 и др.

Коэффициент диффузии водорода в стекле при комнатной
температуре £>=1,5 10“11 см2 с-1, а энергия активации Е=
= 6,3 кДж; на основании решения диффузионного уравнения
для волокна было получено выражение, определяющее от-
носительное увеличение затухания из-за влияния водорода
в одномодовом волокне:

( Dt,n

Да “ еХР

—=2 У ----

а	~,

(9.4)

где tm = t+w2/8D; t—время; w—радиус поля первой моды;

— корень функции Бесселя; b—внешний радиус волокна;
w = a (здесь а—радиус сердцевины).

Для X = 1,4 мкм была установлена экспериментальная за-
висимость приращения затухания от температуры и парци-
ального давления водорода:

Да = А ехр

15,9^
~RTJ

Рн2’

(9.5)

где рн — парциальное давление; А — постоянная, зависящая от
концентрации GeO2 и Р2О5. Для волокон, использованных
при измерениях, результаты которых соответствовали (9.5),
А = 5,75 • 10 дБ/км-ч , 1? = 8,31 Дж-моль-1-°C-1—универсаль-
ная газовая постоянная; Т—температура, К.

Коэффициент диффузии группы ОН в стекле меньше, чем
у водорода: £)=10“17 см2-с-1, а энергия активации
£=(82 ±6,7) кДж.
Из изложенного следует, чго заметное повышение затухания
ОК под влиянием водорода за обозримое на практике время
гложет иметь место при непрерывном присутствии кабеля
в среде, содержащей водород при. достаточном его парциальном
давлении или условиях, благоприятствующих выделению сво-
бодного водорода.

Такая ситуация, например, имеет место у ОК, проложенных
в морской воде, а также в условиях, когда скорость диффузии
возрастает. Наличие микротрещин, циклические изменения
температуры, влага ускоряют процессы диффузии; кроме того,
влага интенсифицирует появления группы ОН и ее проник-
новение в кабель.

Было теоретически рассмотрено влияние рабочего излучения
лазера (несущего сигналы информации) на образование остаточ-
ного затухания. Было показано, что под воздействием лазер-
ного излучения диффундирующий в волокно водород создает
устойчивое соединение ОН, причем концентрация свободного
водорода в сердцевине волокна остается достаточно малой,
при ней процесс диффузии в сердцевину будет продолжаться
до тех пор, пока значение концентрации свободного водорода
не будет определяться условиями равновесия между скоростью
поступления диффундирующего водорода и скоростью его
перехода в группу ОН. В результате происходит накопление
ионов ОН и создается устойчивое остаточное затухание (даже
при устранении источников водорода). В этих условиях (воз-
действие лазерного излучения) процесс увеличения затухания
должен протекать быстрее, чем при отсутствии излучения,
даже при малых парциальных давлениях водорода, например,
в обычной атмосфере.

Парциальное давление водорода в обычной атмосфере (при
сухом воздухе) р = 0,05 Па. При наличии водяных паров это
значение растет, а содержание водорода в атмосфере увеличива-
ется от 0,014% па несколько порядков.

При наличии в водяных парах растворимых примесей
вследствие диссоциации и других причин содержание Н2 также
увеличивается. Следует также иметь в виду, что водород
возникает в процессе изготовления ОК вследствие химических
реакций, происходящих между некоторыми материалами, вхо-
дящими в элементы конструкции кабеля. При наличии метал-
лических элементов коррозия последних также является при-
чиной появления водорода.

9.6.	ВЛИЯНИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Различают корпускулярные и электромагнитные ионизиру-
ющие излучения. Первые представлены нейтронами, протонами,
электронами, альфа- и бета-частицами, а также осколками
12 Заказ 2460	177
деления ядер. К электромагнитным относят рентгеновские
и гамма-излучения.

Основные радиационные эффекты — смещение и ионизация.

Первые представляют собою сдвиг атомов данного матери-
ала из своего нормального положения в кристаллической
решетке. При этом возникают дефекты в структуре решетки
(вакансии, межузловые внедрения дополнительных атомов,
дислокации).

Указанные дефекты могут оказаться неустойчивыми, релак-
сирующими, имеющими тенденцию к восстановлению исход-
ного состояния после прекращения действия радиации; они
могут также путем объединения образовать более сложные
дефекты. Особенно существенно объединение дефектов с име-
ющимися в материале примесями или с исходными дефектами
решетки.*

При облучении вещества электронами и фотонами с энер-
гией менее 1 мэВ возникают простейшие дефекты. Воздействие
нейтронами, протонами и электронами более высоких энергий
вызывает перемещения атомов на расстояния, обусловлива-
ющие микроразрушения материала, имеющие необратимый
характер.*

Ионизационные эффекты проявляются в виде переходных
явлений, связанных с образованием электронно-ионных пар.
Возрастание числа свободных электронов и ионизированных
атомов изменяет электрические характеристики материала. Так
как свободные носители зарядов имеют высокую подвижность,
эффекты, вызванные ионизацией, быстро исчезают после пре-
кращения облучения. Если носители захватываются на глубокие
энергетические уровни данного материала, их плотность воз-
растает с ростом поглощенной дозы излучения и возникает
долговременный эффект такого ' воздействия.

Наиболее чувствительным элементом ОК к воздействию
излучения является ОВ. В результате облучения изменяются
первичные оптические параметры, причем в наибольшей степе-
ни—коэффициент затухания. Соответственно принято оцени-
вать этот факт вносимым затуханием.

Степень и характер изменения во времени вносимого
затухания a'(to) сложно зависят от дозы, характера и времени
облучения; здесь t0 = t‘ + t, где t' — время облучения (г — индекс),
при стационарном облучении = а при импульсном tl = tlK;
t—текущее время после прекращения облучения.

Параметры, определяющие сс’(*о)> можно разбить на две
группы.

1.	Параметры радиационного воздействия:

а)	тип и спектр излучения;

б)	стационарное t'c’,

в)	доза;
г)	импульсное i„;

д)	мощность дозы;

е)	окружающая температура при воздействии излучения
да волокно.

2.	Параметры ОВ:

а)	тип волокна;

б)	состав сердцевины, оболочки, легирующие добавки;

в)	способ получения заготовки;

г)	рабочая длина волны;

д)	радиационная предыстория волокна.

Механизм появления вносимого затухания следующий. При
воздействии излучения в материале волокна возникают процес-
сы смещения, создающие описанные выше дефекты решетки.
Кроме того, в исходном материале уже могут существовать
такие дефекты. Под воздействием излучения на этих дефектах
создаются электроны проводимости и дырки, комбинации
которых с вакансиями образуют так называемые центры
окраски. Так как центры окраски поглощают свет в определен-
ной части спектра, в которой собственное поглощение матери-
ала отсутствует, то появляется дополнительное затухание,
которое проявляется главным образом в трех рабочих областях
волн: 0,85; 1,3; 1,4 мкм.

Кроме увеличения затухания воздействие излучения при-
водит к генерации света в виде люминесцентного излучения.
Причиной этого является эффект Черенкова, возникающий
тогда, когда комптоновские электроны распространяются со
скоростью, большей скорости света в волокне. Люминесцентное
излучение также может быть результатом возбуждения света
в центрах окраски при распространении рабочего (лазерного)
излучения по ОВ. Интенсивность такого люминесцентного
излучения по сравнению с основным (рабочим) лазерным
излучением невелико, однако при больших дозах излучения
может нарушить работу фотоприемника на выходе ОК.
Основное влияние описанного свечения сказывается на появ-
лении помех на приеме.

Специфическое влияние типа и спектра излучения на
значения наведенных потерь начинает сказываться при дозах
облучения более 106—107 рад. Вносимое затухание а1 зависит
нелинейно от значения поглощенной дозы излучения. Характер
изменения a'(f) во времени таков, что значение а1 уменьшается,
стремясь к некоторому небольшому постоянному значению,
которое в ряде случаев практически может быть принятым
равным нулю. Таким образом, можно говорить о процессе
восстановления первоначального (до облучения) затухания.

При стационарном облучении, т. е. облучении, время
которого не менее десятков секунд, процесс восстановления
затухания имеет место уже во время облучения.
Остаточное затухание может сохраняться в течение несколь-
ких лет после облучения. Кинетика восстановления затухания
и его конечное (стационарное) значение зависят от материала
волокна, примесей и остаточных напряжений. В свою очередь,
остаточные напряжения определяются скоростью и темпера-
турой вытяжки волокна, а также режимом охлаждения при
вытяжке.

Вносимое затухание, а также степень его восстановления
характеризуют радиационную стойкость волокна. Волокна
с сердцевиной на основе чистого SiO2 (с высокой степенью
очистки от примесей) с полимерной оптической оболочкой
являются наиболее стойкими. Введение легирующих добавок
снижает радиационную стойкость. Остаточные напряжения
также действуют отрицательно, это объясняется тем, что
примесив деформации, связанные с остаточным напряжением,
активизируют возникновение дефектных центров.

Кварцевые волокна с низким содержанием ОН более
чувствительны к излучению, чем эти же волокна С высоким
содержанием этой гидроксильной группы. Восстановлению
затухания после облучения способствует нагрев (до 200—
300° С), & также лазерное излучение, распространяющееся по
волокну.

При стационарном воздействии излучения последнее явля-
ется существенным фактором, способствующим восстановле-
нию первоначального затухания. Кажущаяся парадоксальность
такой ситуации объясняется тем, что после появления центров
окраски, являющихся причиной вносимого затухания, даль-
нейшее воздействие излучения при достаточно большой его
дозе приводит к процессам «залечивания».

Это явление представляет собой «радиационный отжиг»,
устраняющий неоднородности, которому соответствует неко-
торая температура отжига. Эта температура определяется
следующим образом.

Пусть волокно с наведенным затуханием, зависящим от
времени a‘(t), подвергается плавному нагреву. При температуре
отжига производная da‘(f)/dt<0 имеет скачок. (Подробное
рассмотрение механизма указанного действия излучения вы-
ходит за рамки настоящей книги.)

При нестационарном (импульсном) облучении оптические
потери достигают более высоких значений, чем при стаци-
онарном. Это объясняется отсутствием режима радиационного
отжига, приводящего микроструктуру материала волокна к бо-
лее однородной. При этом более радиационно стойкими также
являются волокна с сердцевиной из SiO2 с полимерной
оболочкой. Некоторые легирующие примеси (например, фос-
фор) уменьшают значение вносимого затухания, что обратно
действию этой же примеси при стационарном облучении.
Время восстановления исходного затухания после импульс-
ного облучения больше, чем после стационарного. Следует
также иметь в виду, что дозы импульсного излучения, как
правило, существенно больше доз стационарного, что объяс-
няется характером реальных источников излучения.

Явление восстановления исходного затухания не устраняет
факты поражающего действия излучения на передачу инфор-
мации по ОК, хотя бы и на ограниченном промежутке
времени, тем более что такое нарушение связи может иметь
место в экстремальных ситуациях, именно тогда, когда опе-
ративное назначение связи особенно существенно.

Зависимость вносимого затухания и его временной харак-
теристики от дозы излучения, типа воздействия (стационарного
или импульсного) для различных видов волокон, их материала
весьма разнообразна и может представлять специальный
интерес. Ограничимся некоторыми характерными данными.

В табл. 9.1 приведены значения вносимых затуханий для
трех типов ОВ. Наиболее чувствительны к излучению волокна
из силикатных стекол. Абсолютные значения затухания в ре-
зультате облучения весьма велики, фактически волокна переста-
ют быть проводниками излучения на время, предшествующее
восстановлению первоначального затухания или установив-
шегося значения остаточного вносимого затухания.

Таблица 9.1. Вносимое затухание волокна, дБ/км, на 1 = 0,82 мкм
при стационарном облучении

Тип волокна	Мощность дозы, рад/мин			
	102	103	104	Ю5
Кварцевое волокно с полимерной обо- лочкой  Волокно из легированного кварцевого стекла:	28	89	195	135
a)	SiO2—Р,О5 (сердцевина)  б)	SiO2—<леО'2— Р,О5 (сердцевина)  в)	SiO2 —В2О3 (оболочка)	25	180	1400	12000
	7	40	350	2500
	140	550	1400	5900
Волокно из боросиликатных стекол	210	1800	Более  10000	—

В табл. 9.2 приведены значения вносимых затуханий через
короткие промежутки времени после импульсного облучения.

Лучшими характеристиками обладают волокна из SiO2
с полимерной оболочкой.

В области более длинных волн (Х= 1,3-г-1,5 мкм) радиаци-
онная стойкость больше, чем на волне Х=0,82 мкм, почти
в 4 раза по сравнению с приведенными данными, т. е.
затухание, вызванное радиацией, во столько же раз меньше.
Таблица 9.2. Вносимое затухание волокна, дБ/км, на 1=0,82 мкм
при импульсном облучении дозой 3700 рад

Тип волокна	Время после воздействия		импульса, с
	10“3	10"1	10
Кварцевое волокно с полимерной обо-	210	90	5
лочкой  Волокно из легированного кварцевого стекла:  a) SiO2—Р2О5 (сердцевина)	670	500	380
б) SiO2—Р2О5 —GeO2 (сердцевина)	98	88	71
в) SiO2 —В2О3 (оболочка)	720	410	30

Кроме изменения затухания волокна радиация влечет за
собой изменение плотности его материала и показателя
преломления. Однако изменения этих параметров под воз-
действием излучения невелики и практически . их можно не
принимать во внимание по сравнению с изменением затухания.

Повышение радиационной стойкости ОВ реализуется в сле-
дующих направлениях:

а)	выбор состава стекол и легирующих добавок при
условиях обеспечения требуемого профиля и (г) сердцевины
и получения заданного значения затухания;

б)	обеспечение высокой степени очистки исходных ма-
териалов;

в)	рациональные режим и метод получения заготовок и во-
локна из последних.

Кроме того, возможны операции, направленные на повыше-
ние радиационной стойкости готовых волокон, к ним относятся:

а)	предварительное облучение волокна («радиационный от-
жиг») при некотором выбранном режиме (доза, время об-
лучения);

б)	фотопросветление излучением лазера;

в)	термический отжиг;

г)	введение защитных добавок.

Фотопросветление удобно применять для ускорения процесса
восстановления затухания, используя тот же источник излуче-
ния, который применяется для передачи информации.

На рис. 9.1 показана кинетика просветления лазерным
излучением на волне Х = 0,85 мкм в диапазоне мощностей от
0,3 мкВт до 1,57 мкВт. Перед операцией просветления кварцевое
волокно с полимерной оболочкой в течение 20 с подвергалось
облучению дозой 3700 рад. По оси абсцисс отложено время
после окончания облучения.

Защитной добавкой, в частности, является бор, защитные
свойства которого широко используются в атомной промыш-
ленности.
рис. 9.1- Фотопросветление оптического
волокна лазерным излучением мощно-
стью, мкВт:

7—0,3; 2—0,014; 3—0,14; 4—1,57

Кроме воздействия на затухание волокна излучение влияет
на состояние полимерных материалов, входящих в конструкцию
ОК. Природа этого воздействия связана с образованием
в полимерах ионов и свободных радикалов, обусловливающих
протекание различных химических реакций.

Ионизирующее излучение существенно изменяет макроско-
пические свойства полимеров, что прежде всего сказывается
на понижении прочности, остаточной деформации и ползучести
материала. В этих явлениях определенную роль играют также
нарушения связей полимерных цепочек.

Ряд эффектов исчезает после прекращения облучения, но
некоторые оказываются необратимыми. Остаточные явления
связаны с нарушением валентных связей полимерных молекул.
Возможны ситуации, при которых необратимые изменения
механических свойств полимерных изделий делают невозмож-
ным их дальнейшее использование в конструкции ОК. Особенно
сильный эффект дает нейтронное облучение.

Механическая прочность ОВ снижается при больших мощ-
ностях дозы; так, кварцевое волокно при мощности дозы
4•105 рад/ч становится хрупким.

ГЛАВА ДЕСЯТАЯ

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК
ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ

к

1 10.1. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПОДЛЕЖАЩИЕ
ИЗМЕРЕНИЯМ

Основным рабочим элементом конструкции ОК является
ОВ, поэтому следует прежде всего рассмотреть измерения его
параметров и характеристик. Оптические характеристики кабеля
в общем случае могут несколько отличаться от характеристик
волокна (см. гл. 5).
Под параметрами понимаются те основные физические
и геометрические показатели ОВ, которые однозначно и пол-
ностью определяют характеристики передачи, поэтому такие
параметры называются первичными.

Применительно к ОК рассматриваются только его харак-
теристики (оптические и механические), так как они являются
следствиями оптических параметров волокна и различных
параметров конструктивных элементов ОК. Ниже приведен
перечень параметров и характеристик, подлежащих измерениям:

Оптическое волокно

1.	Первичные параметры:
профиль показателя прелом-
ления;

затухание;

апертура;

диаметр поля моды одномодо-
вого волокна.

2.	Характеристики передачи:
частотные;

временные;
дисперсия.

3.	Геометрические характеристики:
диаметры областей поперечного
сечения;

эллиптичность.

4.	Механические характеристики:
разрывное усилие;
относительное удлинение;
прочность при изгибе и мини-
мальный радиус изгиба.

Следует различать четыре
этапе, относящемся к процессу

Оптический кабель

1.	Характеристики передачи:
затухание;

частотная характеристика;
временные характеристики;
дисперсия.

2.	Механические характеристики:
разрывное усилие;
прочность на изгиб;

допустимое поперечное сжатие;
допустимый угол кручения;
прочность к ударному воздей-
ствию;

вибрационная стойкость.

3.	Климатическая стойкость.

4.	Радиационная стойкость.

5.	Надежность, срок службы.

этапа измерений. На первом
изготовления кабеля, осущест-

вляются контрольные измерения, задача которых состоит
в установлении и обеспечении заданных гометрических раз-
меров (в пределах допусков) ОВ. Такие измерения проводятся
автоматически с помощью устройств, датчики которых связаны

с теми органами регулировки процесса вытяжки волокна,
которые определяют его геометрические размеры. Очевидно,
что этот этап имеет место тогда, когда в технологию
производства кабеля входит также вытяжка волокна. При
использовании готового волокна такой этап, естественно,
исключается.

Второй этап соответствует выходному определению харак-
теристик ОК и выполняется также на заводе.

Для многомодового кабеля должны быть измерены: ко-
эффициент затухания, частотная характеристика или апертура,
а для одномодового коэффициент затухания и дисперсия.

Следующий этап относится к строительству линии связи.
При этом осуществляется так называемый входной контроль
кабеля. Необходимость в таком контроле независимо от
наличия заводского сертификата следует из возможных от-
клонений оптических характеристик от нормированных в ре-
зультате нарушения условий хранения и транспортировки ОК.

В процессе строительства линий связи возникают факторы,
могущие нарушить некоторые характеристики кабеля и всего
кабельного участка, состоящего из совокупности строительных
длин кабеля, проложенных на трассе.

К таким факторам относятся: внешние механические воз-
действия, внутренние остаточные напряжения в волокнах,
возникшие в результате тех или иных условий прокладки
кабеля, дефекты соединения строительных длин, появление
микроизгибов и др. Отсюда, в частности, следует, что на
этапе строительства контролировать нужно не только парамет-
ры кабелей, но и параметры кабельных участков. При этом
необходимыми могут быть измерения затухания кабеля и со-
единений, временных характеристик, определение мест локаль-
ных неоднородностей, в частности места обрыва.

Измерение временных характеристик относится к эксплу-
атации линии связи. Измерения в этом периоде проводятся
регламентированно; к ним относятся: измерения затухания
участка в целом, то же соединений, измерения временных
характеристик.

Временные характеристики следует измерять при появлении
коэффициента погрешностей более нормированного значения.
Кроме того, в аварийных случаях определяется расстояние
до места повреждения кабельного участка. К первичным
параметрам многомодового волокна, подлежащим измерениям,
относится профиль его показателя преломления и апертура.
Измерение этих параметров осуществляется только при произ-
водстве волокна—на выходе готового изделия.

Применительно к одномодовому волокну измерение аперту-
ры не проводится, так как этот параметр не фигурирует в оценках
волокна и расчетах, связанных с его использованием. Кроме
того, точность измерения апертуры одномодового волокна
вследствие влияния дифракции оказывается недостаточной.

Вместо апертуры измеряется длина волны отсечки, а также
диаметр поля основной моды. Эти параметры полностью
определяют характеристики передачи одномодового кабеля
и условия обеспечения одномодового режима в процессе
эксплуатации кабельной линии.

10.2. ИЗМЕРЕНИЕ ЗАТУХАНИЯ

Обычно измеряется полное затухание а ОВ или кабеля.
В ряде случаев также измеряют составляющие полного затуха-
ния: ап—затухание, обязанное процессам поглощения энергии,
и ар—затухание за счет рассеяния. Полное затухание а = ап+ар.
Соответствующая доля мощности полных потерь рассе-
ивается (излучается) в окружающее пространство и поглощается
в пассивных элементах конструкции ОК.

Необходимость в определении составляющих полного за-
тухания возникает в двух случаях:

при оценке степени влияния источников кабельных потерь,
т. е. дополнительных потерь в оптическом волокне (следова-
тельно, и в кабеле), возникающих в результате изготовления
кабеля на основе данного волокна (с ростом ар такие потери
возрастают);

при необходимости учета влияния величины ар на ширину
полосы частотной характеристики многомодового волокна
и определения ширины полосы в зависимости от длины ОК.

Существенное влияние на величину ар оказывают микроизги-
бы волокна. Необходимо отметить, что дополнительное затуха-
ние может возникнуть также в результате транспортировки,
перемоток, укладки кабеля и в процессе его эксплуатации^ что
и определяет необходимость измерения затухания на соответст-
вующих этапах. При всех методах измерений затухания
необходимо, чтобы структура поля на всей измеряемой длине
волокна (кабеля) была бы установившейся, т. е. однородной.
В обычных условиях возбуждения волокна лазерным излучением
такая структура устанавливается асимптотически на бесконечно
большой длине волокна, но практически уже на некоторой длине
нормализации структуру поля можно считать установившейся.

Если кабель возбуждается лазером, имеющим некоторую
угловую диаграмму излучения, определенную, как обычно,
в открытом пространстве (в воздухе), то на входе волокна,
на котором реализуется его оптический контакт с лазером,
диаграмма излучения последнего деформируется. Кроме того,
возбуждается не только сердцевина волокна, но и его оп-
тическая оболочка, вследствие чего появляются так называемые
оболочечные моды.

По мере распространения излучения по волокну модовый
состав и волновой фронт поля излучения изменяются, при-
ближаясь к тому, который характерен для данного волокна.

Сказанное относится также к одномодовому волокну—при
возбуждении лазером в его начале появляются высшие моды.
Так как затухание зависит от структуры поля, то для получения
правильных результатов измерений необходимо: обеспечить
на всей длине измеряемого волокна установившуюся структуру
поля; устранить оболочечные моды. Для этой цели при
измерении затухания применяют смеситель мод (скремблер)
и модовый фильтр, называемый также поглотитель оболочеч-
ных мод.

Скремблер представляет собой устройство в виде неболь-
шого отрезка волокна, в который внесены равномерно рас-
пределенные неоднородности, например, в виде микроизгибов
постоянной формы (в частности, в виде синусоиды) или в виде
распределенных по длине регулярных неоднородностей путем
помещения отрезка волокна в металлическую оболочку с оста-
точными, сжимающими это волокно напряжениями. Скремблер
также реализуется в виде отрезка волокна, намотанного в виде
спирали на цилиндр, радиус которого около (10—20) Rmin,
где Rmtn—критический радиус, при котором данное волокно
разрушается. Число витков приблизительно равно 5—10.

Механизм действия скремблера заключается в том, что
благодаря внесению в него регулярных неоднородностей проис-
ходят следующие процессы: моды высоких порядков (более
высоких, чем те, которые могут распространяться по скрем-
блеру) интенсивно излучаются (этим модам соответствуют
лучи, распространяющиеся под большими углами, в лучевом
описании).

На неоднородностях скремблера возникают связи между
отдельными модами, приводящие к частичному переходу энергии
от одних мод к другим, а также к появлению мод, которые не
могут распространяться в данном волокне и поэтому излучаются
в окружающее пространство, что создает дополнительные потери
на рассеяние. В то же время часть энергии высших мод переходит
в энергию низших, увеличивая их мощность. В результате такого
преобразования мод, т. е. частичного перехода энергии из одних
мод в другие, диаграмма излучения нормализуется и возникает
установившееся поле излучения. Скремблер обладает повышен-
ным затуханием (по сравнению с волокном, на основе которого он
выполнен), однако его значение не входит в измеряемое затухание.

Наиболее простым и удобным фильтром, устраняющим
оболочечные моды, является небольшая часть волокна в виде
петли, погруженной в сосуд, наполненный иммерсионной
жидкостью, которая имеет тот же показатель преломления,
что и оптическая оболочка этого волокна. Оболочечные моды
высвечиваются в иммерсионную жидкость. Иммерсионная жид-
кость может быть заменена абсолютно поглощающей, роль
которой практически может выполнить черная тушь.

Другим возможным вариантом фильтра является намотан-
ное на цилиндрическую основу волокно с числом витков
4—5. Если 1а—диаметр сердцевины волокна; пс—ее показа-
тель преломления; NA— числовая апертура, то минимальное
значение диаметра цилиндра должно быть

Dmi„ = %nlalNA.

Затухание такого фильтра будет в (1+2«/£>mi„) раз больше
затухания волокна, намотанного на этот цилиндр.

Возможным решением, обеспечивающим установившуюся
структуру поля и одновременно устраняющим оболочечные
моды, является применение отрезка волокна (с параметрами,
идентичными тем, которые имеет измеряемое волокно), длина
которого не менее длины нормализации lN этого волокна.
Такой отрезок волокна применяется в компактном виде
(цилиндрическая намотка).

Так как длина нормализации в зависимости от значений
первичных параметров измеряемого волокна может изменяться
в пределах от сотен метров до нескольких километров, то
применение такого устройства имеет ограниченный характер.

Наличие установившейся структуры поля в ОВ может быть
установлено по значениям удельных коэффициентов затухания,
измеренных для различных длин данного волокна: 12. Если
коэффициенты затухания, соответствующие этим длинам,
°'-i=0'-2 5 то можно считать, что структура поля уже равновесна
на длине наименьшей из данных длин, причем значение lN не
более этой длины.

Определение установившейся структуры поля по измерениям
на выходе волокна в дальней зоне диаграммы излучения
является более трудоемкой операцией и представляет специ-
альный интерес.

Существуют различные методы измерений затухания
ОВ и ОК.

Классификация этих методов и соответствующая им тер-
минология не являются однозначными. Ниже приведена клас-
сификация, в достаточной мере отражающая суть реальных
методов:

1)	двух точек;

2)	двух длин («обрывной» метод);

3)	замещения;

4)	сравнения с отраженным сигналом;

5)	обратного рассеяния.

Каждый из этих методов имеет свои модификации, харак-
теризуемые частными способами измерения величин, на ос-
новании которых определяется затухание.

Метод двух точек. Этот метод является по своей сути
наиболее простым и заключается в измерениях мощности Ро,
вводимой в ОВ (кабель), и мощности, излучаемой Pt на его
выходе. Очевидно, что затухание, дБ, измеряемого объекта

az = 101g(P,/Po).	(10.1)

Следовательно, коэффициент затухания, дБ/км
а=«(//.

Точность измерения затухания, даваемая этим методом,
зависит от двух факторов: точности показаний прибора,
измеряющего мощность (или величину, ей пропорциональную);
точности определения доли мощности, вводимой в измеряемое
"’Рис. 10.1. Схема измерения затухания ОК (или ОВ) методом двух точек:
7—излучатель; 2—скремблер; 3—поглотитель (фильтр) оболочечных мод; 4—калиб-
рованный отрезок волокна;* 5-—калиброванный разъем; б-—калиброванная половина
разъема; 7—измеритель (или индикатор) мощности; 8—измеряемый кабель

волокно. Первый из этих факторов является очевидным.
Остановимся на втором.

Измерение мощности на выходе излучателя не является
проблемой, однако эта мощность неадекватна мощности,
введенной в измеряемый объект, вследствие потерь на вводе;
определение этих потерь с необходимой точностью затруд-
нительно.

Поэтому возможны два решения: определение и учет
с нужной точностью значения потерь на вводе энергии
в волокно в каждом случае измерений; снижение этих потерь
до заведомо малого (пренебрежимого) значения.

Очевидно, как в первом, так и во втором варианте точность
измерений затухания будет ограничиваться точностью учета
(или обеспечения малости) значения потерь на вводе.

Второе решение является более конструктивным. На
рис. 10.1 представлена функциональная схема измерения, соот-
ветствующая этому методу.

Источником возбуждения измеряемого кабеля является по
существу не излучатель 1, а половина калиброванного разъема
на выходе поглотителя оболочечных мод. Таким образом,
половина разъема представляет собою излучатель равновесной
структуры поля.

Во вторую половину калибровочного разъема закладывается
входной торец измеряемого волокна. Диаметр сердцевины
калибровочного отрезка волокна 4 и его числовая апертура
заведомо меньше таковых измеряемого волокна. Разъем снаб-
жен микроманипулятором, дающим возможность плавно с боль-
шой точностью юстировать разъем относительно торца из-
меряемого волокна так, чтобы мощность (или показания
прибора 7, пропорциональные мощности), контролируемая на
конце кабеля /, была максимальной.

Определив показание у, прибора на конце кабеля, разъем
размыкают и измеряют тем же прибором мощность
Уо излучения калиброванным волокном 4 в разъеме 5. Очевид-
но, что при соблюдении указанных выше условий (для
Диаметров сердцевины, числовых апертур и оптимальной
юстировки) второе измерение, дающее показание у0, определяет
мощность (или пропорциональную ей величину) в начале
кабеля. Тогда значение затухания может быть определено по
(10.1) (вместо величин Р, и Ро могут фигурировать у0 и у,).

Обязательным условием снижения до минимума потерь
в разъеме 5 является подготовка торца измеряемого волокна.
Для этого используются известные приемы: контролируемое
(на специальном станке) обламывание волокна, полировка
торца волокна и очистка его поверхности от неизбежных
жировых пленок в чистом бензине или сероуглероде. Описанный
метод измерения удобен в тех случаях, когда оба конца
кабеля непосредственно доступны для измерения одному опе-
ратору.

Двусторонний доступ возможен, например, при измерениях
на заводе или при входном контроле, когда кабель уложен
на барабане или ОВ намотано на бобине. Если кабель уложен
в траншее, т. е. оба его конца разнесены, то измерение по
методу двух точек усложняется, так как его должны проводить
два оператора у концов кабеля. При этом необходимо, чтобы
измерители мощности, разнесенные по концам кабеля, имели
бы идентичные параметры.

В подобных случаях более удобными являются методы,
обеспечивающие измерение при одностороннем доступе, ко-
торые описываются в дальнейшем.

Техническая реализация описанного выше метода реализо-
вана в виде законченного прибора ИЗВОК. В этом приборе,
состоящем из генератора и приемника, для повышения его
чувствительности и уменьшения влияния помех используются
модуляция генератора оптического излучения и резонансное
усиление в приемной части прибора. На рис. 10.2 приведены
функциональные схемы генератора и приемника. Частота
модуляции оптического излучения Е=3675 Гц. Уровень сигнала,
излучаемого лазером, регулируется током накачки последнего.
Отсчет мощности на выходе приемного устройства произ-
водится по цифровому прибору. Диапазон мощности излучения
оптического сигнала составляет 70 дБ.

По данным разработчиков этого прибора, погрешность
измерения равна +0,1 дБ. Прибор предназначен для измерений
в диапазоне длин волн 0,85—0,96 мкм. Следует заметить, что
указанная погрешность может быть отнесена только к точности
отсчетов значений мощности, так как источник предельной
погрешности (как это указывалось раньше) определяется по-
терями на соединении в разъеме. Кроме того, погрешность
измерений, выраженная в децибелах, не остается постоянной
в разных диапазонах измеряемого затухания.

Метод двух длин («обрывной» метод). Этим методом
непосредственно измеряется не затухание всего объекта на
Рис. 10.2. Схема измерителя затухания с помощью прибора ИЗВОК:

а—генератор; б—приемник; 1—генератор модулирующего напряжения; 2—блок накачки
лазера; 3—лазер; 4—блок питания; 5—блок измерения выходной-мощности; б—типовой
разъем; 7—устройство, сопряжения с ОВ; 8—лавинный фотодиод; 9—резонансный
усилитель; 10—детектор; 11—цифровой вольтметр

всей его длине, а его коэффициент затухания, определенный
на основании измерений мощности на выходе двух различных
длин 1г и 12 измеряемого волокна. Основным достоинством
этого метода является отсутствие необходимости в измерении
мощности, вводимой в начало волокна; это обстоятельство
исключает ошибку, связанную с условиями обеспечения ввода
энергии в волокно с малыми потерями, значение которых
остается неизвестным. Единственное условие, которое необ-
ходимо обеспечить при измерении данным методом,—это
сохранение постоянства мощности, излучаемой лазером во
время проведения измерений при стабильности состояния
элемента ввода энергии (разъема).

|;‘ На рис. 10.3 излучатель через скремблер и поглотитель
оболочечных мод возбуждает оптическое волокно длиной Zt.
Определяется показание измерителя (или индикатора) мощ-
ности на конце волокна, этому будет соответствовать показание
У1, затем, не нарушая условий ввода излучения в ОВ, при
постоянстве режима работы лазера обламывается некоторая
длина волокна. Оставшаяся длина будет 12. Далее измеряется

Ь. Рис. 10.3. Схема измерения затухания ОВ методом двух длин:
у—излучатель; 2—скремблер; 3—поглотитель оболочечных мод; 4—измеряемое г
5—измеритель (или индикатор) мощности
показание у2 на конце этой длины. Затем легко получить
значение коэффициента затухания, дБ/км:

а=—1g —.	(10.2)

«1~ «2 У2

При качественном состоянии торцов на конце длин
и 12 точность этого метода удовлетворяет требованиям
контрольных измерений.

Помимо очевидного неудобства данного метода, связанного
с нарушением целостности О В, его основным недостатком
является невозможность применения для ОК, затухание ко-
торого, как было указано выше, может отличаться от соб-
ственного затухания волокна, уложенного в этот кабель.

Метвд замещения. Этот метод основан на сравнении
измеряемого затухания с затуханием калиброванного перемен-
ного ослабителя. В качестве такого ослабителя возможно
применение градуированного оптического аттенюатора, кото-
рый вводится в опорный канал. Мощность излучения на
выходе этого канала регулируется аттенюатором до значения,
равного* мощности на выходе измеряемого канала, содержащего
ОВ или ОК. Измеряемое затухание будет равно затуханию
аттенюатора.

В другом варианте реализации этого метода вместо
оптического используется электрический калиброванный ат-
тенюатор, вносящий затухание в электрический сигнал на
выходе опорного канала. Производится сравнение элект-
рических сигналов на выходе этого канала с выходным
сигналом измеряемого канала. Показание аттенюатора, при
котором имеет место равенство сигналов, соответствует
измеряемому затуханию.

На рис. 10.4 приведена упрощенная схема устройства для
измерения затухания методом замещения по модулирующей
частоте электрического сигнала.

Источник излучения лазер 1 имеет стабилизированное
питание и термостатирован. Это обеспечивает строгое посто-
янство его режима. Излучение после скремблера 2 и фильтра
оболочечных мод 3 оптическим делителем 4 разделяется во
двум каналам. Измеряемый канал состоит из юстируемого
стыковочного устройства 5, в котором измеряемое волокно
6 прецизионно стыкуется с делителем 4, фотодетектора 7 и уси-
лителя модулирующей частоты f. Опорный канал включает
в себя также фотодетектор 7 и усилитель модулирующей
частоты 8, идентичные тем, которые входят в измеряемый
канал. Источник модулирующей частоты 9 управляет делителем
излучения 4, периодически (импульсно) перекрывая проходящее
через него излучение. Таким образом, по каналам (измеряемому
12	3	4-5

Рис. 10.4. Схема устройства для измерения затухания методом замещения по
модулирующей частоте:

1—лазер; 2—скремблер; 3—фильтр оболочечных мод; 4—делитель мощности излучения;
5—стыковочное юстируемое устройство, контролируемое под микроскопом; б—измеря-
емое оптическое волокно; 7—фотодетекторы (идентичные в опорном и измеряемом
каналах); 8—усилители модулирующей частоты; 9—модулятор импульсных сигналов
частоты; 10—балансный синхронный коммутатор; 11 — осциллографический нуль-ин-
дикатор; 12—калиброванный аттенюатор (на частоте F)\ 13—импульсы в измеряемой
цепи; 14 — импульсы в опорной цепи

? и опорному) проходит импульсное излучение. Модуляция света
; реализуется вращающимся обтюратором, прерывающим оп-
тический пучок, проходящий угежду двумя линзами. Коэф-
фициент деления мощности излучения устройства 1:10.

Электрические импульсы 13, 14 из обоих каналов поступают
синхронно, но в противофазе (рис. 10.4, б) на балансный
. синхронный коммутатор 10, на выходе которого включен
осциллографический нуль-индикатор 11. Калиброванный элек-
трический аттенюатор 12 на частоте модуляции F вносит
в коммутатор 10 затухание в пришедшие по опорному
каналу импульсы. При равенстве вносимого затухания из-
1 меряемого объекта на выходе балансного коммутатора среднее
значение напряжения, определяемое по нуль-индикатору, будет
равно нулю.

Описанное устройство обеспечивает диапазон измерения до
50 дБ при погрешности +(0,1—0,2) дБ. Реализация этой схемы
достаточно сложна (ряд деталей устройства ради упрощения
описания опущены). Применение этого метода в условиях
эксплуатации не рационально. Его следует рассматривать как
разновидность лабораторных методов измерений.

Метод сравнения с отраженным импульсом. Данный метод
Удобен при одностороннем доступе к измеряемому кабелю,
т. е. в том случае, когда в распоряжении оператора, произ-
водящего измерения, имеется только один конец волокна или
кабеля, а второй его конец недоступен (кабель проложен
в земле).

13 Заказ 2460	193
Суть метода заключается в сравнении амплитуд импульсов
оптической мощности входного (т. е. введенного в начало
кабеля) и отраженного от конца волокна, пришедшего к его
началу.

Если амплитуды входного и выходного импульсов
Рт0 и Р'т0, то с учетом того, что импульсы проходят в целом
путь, равный двойной длине измеряемого волокна, получим

101g^

Р тО

Корректность такого измерения определяется следующими
условиями: полнотой отражения импульса от конца волокна;
степенью деформации импульса, которая определяется процес-
сом отражения и влиянием дисперсии; точностью определения
(отсчета) амплитудных значений импульсов.

При идеальных условиях отражения импульсов от торца
волокна коэффициент отражения будет около 0,95—0,96, и это
значение может быть учтено. Очевидно, для этого необходима
качественная обработка отражающего торца. Для того чтобы
при отражении импульс не деформировался, необходимо,
чтобы плоскость торца была нормальна к оси волокна.
Очевидно, реализация этого условия входит в предыдущее.

Влияние дисперсии на деформацию импульса определяется
параметрами волокна, формой импульса и его продолжитель-
ностью. Правильным выбором формы импульса и его парамет-
ров можно уменьшить искажение его формы, что является
обязательным условием внесения минимальной ошибки измере-
ний. Точность отсчета амплитуды импульсов определяется
характеристиками используемого для этой цели прибора.

Наиболее удобным является Отсчет значения импульса при
одновременном контроле по осциллографу формы импульса.

Схема измерений, аналогичная той, которая принята в ме-
тоде обратного рассеяния, будет рассмотрена далее. При
измерениях на длинных кабельных участках возможна такая
степень деформации отраженного импульса, пришедшего к на-
чалу кабельного участка, при которой определение затухания
на основании сравнения амплитуд исходного и деформирован-
ного импульса будет неправомерным.

В этих случаях возможна модификация рассматриваемого
метода, существенно устраняющая влияние деформации им-
пульсов. Для этой цели из серии входных и отраженных
импульсов, следуемых с частотой повторения F, выделяются
фильтром первые гармоники (той же частоты) А,„ и А и далее
определяется затухание по приведенной выше формуле, в ко-
торой Рт0 и Р'и0 заменены значениями А,„ и А'т. Форма
импульсов выбирается близкой к гауссовой.
В этом методе влияние деформации импульсов снижено
по следующим причинам: определение амплитуд проводится
для гармонического сигнала, который в линейных системах
при любой их спектральной характеристике не искажается
(сохраняет синусоидальную форму), а лишь испытывает не-
который сдвиг начальной фазы, что не имеет значения при
сравнении амплитуд. Искажение формы исходного импульса
сказывается только на некотором перераспределении мощ-
ностей между спектральными составляющими импульса, однако
на первой гармонике это сказывается в очень малой степени,
затрагивая в основном области более высоких частот. Для
спектра импульса принятой выше формы указанное обсто-
ятельство ничтожно мало.

Метод обратного рассеяния. Преимущество этого метода
заключается в том, что он пригоден при одностороннем
доступе и, кроме того, дает возможность одновременного
контроля состояния всего кабеля (или кабельного участка).
Соответствующие приборы получили название оптических реф-
лектомеров. Высокая информативность метода делает его
весьма удобным при необходимости быстрой оценки затухания
всех участков кабельной линии.

В основу метода положен известный эффект рэлеевского
рассеяния на флуктуациях плотности материала ОВ и кон-
центраций легирующих примесей, размеры областей неод-
нородностей которых меньше длины волны оптического излуче-
ния. Обратное рассеяние вызывается импульсным сигналом,
посылаемым периодически по волокну и направленным к его
началу.

Кроме отражения от рассеянных неоднородностей волокна
также имеет место отражение от локальных, более крупных
неоднородностей: мест соединений волокон, локальных наруше-
ний геометрических параметров волокна.

Импульс, излучаемый лазером, через ветвь а (рис. 10.5, а)
направленного ответвителя распространяется по кабелю, при
этом в обратном направлении непрерывно поступает рассеянное
излучение, которое через ветвь б направленного ответвителя
попадает на фотоприемник 5 и далее на осциллограф.

На рис. 10.5, б приведен пример формы обратного сигнала
рассеяния, полученного на экране осциллографа. Время, от-
ложенное на горизонтальной оси, пропорционально длине пути
распространяющегося отраженного сигнала.

Точка А соответствует началу кабеля, точка В—его концу.
Полное затухание на длине I определяется по крайним
ординатам у0 и yt, а отдельных участков — по ординатам на
их концах. Таким образом, если сигнал описывается в линейном
масштабе, то <х( = 10 lg (yi/y0), импульс D связан с отражением
от дальнего конца и в расчет не входит.
D <0	*

Рис. 10!$. Схема измерения затухания методом обратного рассеяния:

°—функциональная схема; б—форма обратного сигнала; 1—генератор импульсов;
2—модулятор; 3—полупроводниковый лазер; 4—направленный ответвитель; 5—фото-
приемники; 6—осциллограф; 7—ОК

Сигнал рассеяния на экране осциллографа обычно регист-
рируется в логарифмическом масштабе с помощью логариф-
мического усилителя фотоприемника, что учитывается при
определении а,.

На рис. 10.5, б видны неровности кривой обратного рассеяния,
а в точке С имеется небольшой всплеск. Неровности соответству-
ют небольшим локальным неоднородностям на различных
участках кабеля, а всплеск—отражению от места соединения
волокон. Таким образом, можно оценить потери в соединениях.

Принципиальным недостатком метода обратного рассеяния
является то, что не учитывается соотношение коэффициентов
ап и ар (см. выше). Поэтому результаты, полученные на
основании таких измерений, неточно определяют полный
коэффициент затухания.

Другим недостатком является необходимость относительно
большой мощности излучателя (несколько десятков милливатт),
а также высокой чувствительности фотоприемного устройства,
обладающего большой помехозащищенностью. Точность из-
мерения затухания методом обратного рассеяния меньше
других и существенно зависит от диапазона измеряемых
значений затухания.

Применительно к измерениям одномодовых ОК метод
обратного рассеяния осложняется рядом факторов, в частности
условиями ввода импульсов и применением одномодовых
лазеров повышенной мощности.

Приведем некоторые соотношения теории метода обратного
рассеяния. Мощность вводимых в оптическое волокно прямо-
угольных импульсов равна Ро, а их длительность т; мощность
обратного рассеяния, приходящая назад, к началу волокна,
Pspf). Если s(z)—фактор обратного рассеяния, определяющий
долю рассеяния мощности в пределах апертуры волокна,
распространяющейся в обратном направлении, то

Ps(t) = 0,5Роар(z)s(z) exp { - [а^ (z )+

+ <*o (z)]zvffxj.	(10.3)

Здесь z—текущая координата на длине волокна; ap(z)—эф-
фективный коэффициент рассеяния в точке z; а о (z)—среднее
затухание на участке (0, z) для излучения, распространяющегося
в прямом направлении; а о (z)—то же в обратном направлении.

Очевидно,

Z

a* (z)=- J~oc ± (Е;) г/Е,,
о

a(z) определяется, в частности, модовым составом излучения,
поэтому в общем случае а + (z)^a“ (z),

«о (а)^«о (z);

vg—групповая скорость распространения импульса.

Так как Ps (?) пропорциональна длительности зондирующего
импульса, то с увеличением т растет динамический диапазон,
а также точность измерения затухания при одновременном
уменьшении разрешающей способности (по длине волокна).
Последнее обстоятельство существенно при использовании
рефлектометра для определения места повреждения ОК.

Для участков многомодового волокна, где имеется установив-
шееся распределение мощностей по модам, а профиль показа-
теля преломления ступенчатый, фактор обратного рассеяния
и2)/и1,	(Ю.4)

где и£, и2 — показатели преломления сердцевины и оболочки.

Для ОВ с параболическим профилем
,_________________________(ио-ип)А:/ио_ )	„

2 (L	4[3 + 2(и0—ио)Аг/и0] J J

здесь и0—показатель преломления в центре сердцевины; па—то
же на ее периферии; к—коэффициент, зависящий от типа
легирующих добавок.

Для одномодового волокна

(10.6)

V ’	OqV

где	а—радиус	сердцевины; а0—радиус

v=(2n/X)an1 ^/^Д; A = (Ht—и2)/и1.

поля моды;
Из приведенных выражений и соответствующих расчетов
следует, что наибольшее влияние на величину Ps(t) оказывает
изменение числовой апертуры по длине волокна.

Экспериментально установлена значительная зависимость
сигнала обратного рассеяния от изменения диаметра ОВ,
следовательно, по виду рефлектограммы можно судить о степени
отклонения диаметра сердцевины по длине волокна от нормиро-
ванного значения. Существенность указанной зависимости также
следует из того, что мощность сигнала, рассеянного сечениями
разных диаметров, пропорциональна отношению их квадратов.

Определение места повреждения ОК. Существующий метод
относится к повреждениям волокна и не дает информации
о повреждении защитных оболочек кабеля (если только
повреждение последних не связано с нарушением целостности
волокна).

Под повреждением волокна имеется в виду такое локальное
нарушение его однородности, при котором передача инфор-
мации при принятых показателях ее качества не реализуется.
Таким образом, появление неоднородности, вносящей повышен-
ное затухание или существенно деформирующей сигналы
информации, является повреждением кабеля. Предельным ви-
дом такого повреждения является обрыв волокна, при котором
сигналы информации не проходят.

В настоящее время установление факта и места повреждения
ОК реализуется методом оптической локации, т. е. путем
посылки в кабель зондирующего импульса и измерения
интервала времени между моментами посылки зондирующего
импульса и прихода к началу кабеля отраженного импульса.

Принципиальная схема измерения аналогична схеме на
рис. 10.5, однако такие параметры, как частота следования
импульсов, их продолжительность, энергетический потенциал,
выбираются оптимальными для измерения времени t3, по
которому определяется с наибольшей возможной точностью
расстояние / до места повреждения:

l=vgt3!2,

где vg—групповая скорость распространения сигнала по ОК.

Для повышения дальности действия и чувствительности
применяют лазеры повышенной мощности, лавинный фотодиод
и специальные методы обработки сигналов на приеме, для
чего после детектора 5 (рис. 10.5) устанавливается блок об-
работки сигналов, повышающий отношение сигнал/помеха.
Значение t3 может быть определено визуально на экране
осциллографа или при применении на приеме электронной
схемы, дающей цифровой отсчет. При введении в эту схему
значения скорости vg, соответствующей данному кабелю, отсчет
покажет непосредственно искомое значение I.
Помехи в виде неизбежного рэлеевского рассеяния могут
быть практически устранены. Очевидно, что чувствительность
прибора к обнаружению повреждения определяется тем ми-
,1нимальным значением коэффициента отражения к, при котором
ч прибор его фиксирует и обеспечивает с требуемой точностью
отсчет значения /3.

э Для совершенных конструкций таких приборов к=0,14-1%.
в Очень малые значения к могут быть отнесены к локальным
. .неоднородностям, не связанным с повреждением (например,
j.c микроизгибом).

к Точность определения t3 зависит, в частности, от продол-
( жительности т и формы зондирующего импульса, а также
 от ширины полосы частотной характеристики ОК на длине
21, где I—расстояние до места повреждения.

С увеличением I и уменьшением т искажение импульсов
на пути 21 будет увеличиваться, при этом точность отсчета
уменьшается, так как определение значения. t3 по расстоянию
между соответствующими фронтами или максимумами им-
ь. пульсов будет некорректно. В этом случае истинное значение
- t3 может быть определено по расстоянию между максималь-
ными значениями этих импульсов.

Разрешающая способность данного метода определяется
точностью измерения +AZmin>T'/2, где т'—ширина отражен-
ного импульса на входе приемника.

Измерение затухания соединений ОВ. Измерения затухания
разъемных и постоянных соединений связаны с определенными
трудностями. Наиболее простым является применение метода
I г обратного рассеяния, при котором измеряются значения ор-
динат на кривой обратного рассеяния по обе стороны всплеска
в месте соединения.

Однако точность такого определения затухания недостаточ-
Е на. Ошибка может оказаться больше истинного значения
измеряемого затухания, которое обычно не более 0,5—1 дБ.
Вариант этого метода, в котором измерение проводится с двух
концов кабеля, не приводит к повышению точности и пред-
полагает ряд допущений.

Необходимо также отметить следующее. Как показывает
анализ механизма потерь в соединениях, эти потери прак-
тически связаны только с мощностью рассеяния (потери на
поглощение в соединениях ничтожно малы). В свою очередь,
рассеяние мощности в рассматриваемом случае определяется
коэффициентом передачи излучения из одного волокна в другое:
Г]12 или г|2,1, где индексы 1,2 и 2,1 относятся к передаче
энергии из волокна 1 в волокно 2 и из волокна 2 в волокно 1.

В общем случае ’Пцг^’Пгд» поэтому значения затухания
соединений, измеренные в прямом и обратном направлениях,
могут быть различными. Сказанное относится к неразъемным
(постоянным) соединениям. Разъемные соединения лишены
этой особенности. Значение их затухания должно быть измерено
отдельно (вне связи с ОК) методами, дающими достаточную
точность измерения, соответствующую малым значениям из-
меряемого затухания, например методом замещения.

Измерение затухания неразъемных соединений является
необходимой контрольной операцией, завершающей производ-
ство соединений строительных длин ОК (перед соединением
внешних оболочек и наложением муфты). Наиболее существен-
ным является метод, обеспечивающий измерение затухания
в полевых условиях, непосредственно на месте проведения работ
по соединению,—метод измерения с помощью фотометрической
сферы значения мощности рассеяния, создаваемого соединением.
Место соединения с небольшим участком волокна, примыка-
ющим $ соединению, помещается в разъемную полость,
имеющую хорошо отражающую внутреннюю поверхность.
Через соединение проходит излучение, мощность которого Ро на
входе соединения должна быть предварительно измерена.
Мощность, рассеиваемая соединением после многократных
отражений, попадает на один или несколько чувствительных
фотодетекторов, объединенных одним фотоприемником, на
выходе которого включен измерительный прибор, проградуиро-
ванный в единицах мощности. Затухание соединения

ac=101g(Po-Ps)/Po,
где Ps—измеренная мощность рассеяния соединения.

10.3.	ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРЕДАЧИ

Общее замечание. Характеристики передачи ОК могут быть
определены в частотной или временной областях. В первом
случае измеряются модуляционно-частотные характеристики О В
или ОК, кратко называемые далее частотными характеристика-
ми, а во втором случае—одна из временных характеристик:
переходная; импульсная; импульсно-нормированная; дисперсия.

Любая из первых трех характеристик полностью определяет
распространение сигналов по кабелю и дает возможность
найти известными приемами форму выходного сигнала при
заданной его форме на входе кабеля, а также определить
частотную характеристику последнего.

Дисперсия не содержит достаточной информации, однознач-
но определяющей указанные выше характеристики, так как
по существу она определяет частный вторичный параметр
кабеля, а именно запаздывание высшей составляющей переда-
ваемого спектра сигнала относительно его низшей состав-
ляющей. При этом фронт передаваемого сигнала (на входе)
принимается ступенчатым. Таким образом, дисперсия харак-
теризует фронт сигнала на выходе кабеля, однако значение
фронта не полностью определяет искажения реального сигнала.

Выбор метода измерения во временной или частичной
области зависит от двух факторов:

1)	требуемого вида измеряемой характеристики (частотной
•или временной);

2)	возможностей проведения в конкретных условиях измере-
ний теми или иными средствами с заданной точностью.

। Измерение частотных характеристик. Применительно к ОК
оперируют понятиями модуляционная амплитудно-частотная
характеристика и модуляционная частотно-фазовая характери-
стика. Первая — это зависимость модуля комплексного коэф-
фициента передачи огибающей мощности оптического излуче-
ния, модулированного гармоническим сигналом, от частоты
модуляции, а вторая характеристика—зависимость фазы ком-
плексного коэффициента передачи, огибающей мощности оп-
тического излучения, модулированного гармоническим сигна-
лом от частоты модуляции. Обе характеристики С(П) и <рЮ)
объединяются в комплексный коэффициент передачи: К(С1) =
= C(p)e1<₽(£i), где £2—частота модуляции.

Измерение модуляционно-частотных характеристик в ча-
стотной области является наиболее полным и точным, однако
существуют обстоятельства, ограничивающие и затрудняющие
такие измерения:

а)	трудность обеспечения в достаточно большом диапазоне
частот с необходимой контролируемой точностью линейности
частотных и амплитудных характеристик элементов измери-
тельного тракта;

б)	сложность в разумное по продолжительности время
определения характеристики <р(О) в диапазоне исследуемых
частот из-за трудности установления числа п циклов в значении
фазы: (р = 2тот + Л(р, где Лф—непосредственно измеряемая вели-
чина. Поэтому обычно ограничиваются измерением харак-
теристики С(£2), что обычно является достаточным для оценки
И расчетов распространения оптических сигналов.

На рис. 10.6 представлена схема непосредственного измере-
ния частотной характеристики. Все измерительные элементы,
входящие в схему, должны удовлетворять в требуемой степени
линейности собственных частотных и амплитудных характери-
стик. Изменяя частоту £2 модуляции и поддерживая постоянство
уровня модулирующего напряжения, фиксируют показания
прибора 8 и, таким образом, получают характеристику С(£2).

Эта простейшая схема может быть заменена более совер-
шенной при использовании устройств сканирования частоты
модуляции и известных измерителей частотных характеристик,
дающих их изображение на экране осциллографа или на
бумаге графопостроителя.
Рис. 10.6. Схема непосредственного измерения частотной характеристики (из-
мерения в частотной области):

1—генератор модулирующих частот; 2—модулятор; 3—лазер; 4—скремблер; 5—по-
глотитель оболочечных мод; 6—ОК; 7—фотоприемник; 8—измерительный прибор

Описанный метод, как правило, применяется только для
многомодовых ОВ (кабелей). При модуляции лазера частотами
Q возможна флуктуация его параметров (смещение спектра
оптического излучения, появление шумов), а также нарушение
линейности процесса модуляции. Эти явления снижают точ-
ность измерений. Для устранения влияния этих факторов
можно применить внешнюю модуляцию лазеров, работающих
в непрерывном режиме.

Измерение временных характеристик. Переходная характе-
ристика h(t) ОК представляет собою сигнал в виде огибающей
оптического излучения по мощности на выходе кабеля при
ступенчатом сигнале на его входе:

Рвх(0=^01(0- ПРИ этом =

Таким образом, если в измерительном устройстве (рис. 10.6)
модулирующий сигнал будет не гармонический, а ступенчатый,
то, фиксируя на выходе приемного устройства (например, на
экране осциллографа) сигнал, получим графическое изображе-
ние переходной характеристики, которое может быть исполь-
зовано для оценки искажений оптических сигналов, распрост-
раняющихся по данному кабелю или для получения частотной
характеристики.

Частотная характеристика

С(П)е'ф(П) = С1 (Q) + zC2 (Q)

связана с Л (г) известными соотношениями:

Ci(Q) = Qf sin(£^)/z(£)^;

О

(10.7)

C2(Q) = Q f cos (QtyhfcjdE,.

О
Аппроксимируя экспериментально полученную характери-
стику h(t), аналитическим выражением находят по приведенным
формулам частотную характеристику. Вместо аппроксимации
возможно также непосредственное вычисление С] (£1) и С2 (£2)
по выборкам ординат полученной кривой, описывающей h\t).
(Способы вычислений известны, и останавливаться на них не
будем.)

Принципиальным недостатком данного метода, ограничи-
вающим его точность, является невозможность получить
идеальный ступенчатый сигнал на входе кабеля, так как
крутизна фронта такого сигнала должна быть s(t] = <x>.

В реальных условиях для обеспечения достаточной точности
необходимо, чтобы тф<1/ЗСв, где тф—фронт входного ступен-
чатого сигнала, a FB—верхняя граничная частота частотной
характеристики кабеля.

Импульсная характеристика представляет собой реакцию
системы (в нашем случае ОК) на входной импульсный сигнал
в виде 8-импульса. В этом случае сигнал на выходе кабеля
представляет собой импульсную характеристику g(z). Эта
характеристика дает возможность определить форму сигнала
на выходе ОК Рвых(^) при любой форме сигнала на его входе:

о

Частотная характеристика кабеля может быть найдена из
выражений

С± (О)= J sin(fi/)g(/)cfr;
о

(10.8)

С2(О)= j cos(fif) g(t)dt.
о

Так как 8-импульс характеризуется, в частности, бесконечно
большой крутизной и стремящейся к нулю продолжитель-
ностью, то его реализация на практике невозможна, а при-
ближение к требуемой форме приводит к снижению точности
получения истинного значения g(/) и С(П)е‘ф(П); достаточная
точность может быть получена при тф < 1 / 6FB и продолжитель-
ности входного импульса твх = 2тф.

Вычисление по (10.8) может быть проведено по выборкам
ординат кривых, описывающих экспериментально полученные g (t).

Импульсно-нормированные характеристики. Как следует из
предыдущего, недостатком измерений h(t) и g(z) является
приближенная реализация требуемой формы входного сигнала
и определенные сложности его получения.
Существенным упрощением при обеспечении достаточной
точности является измерение импульсно-нормированных харак-
теристик. В этом случае на вход измеряемого кабеля подаются
импульсы, форма которых может быть практически реализуема
и аналитически описана. В качестве нормированного импульса
удобно выбрать импульс Гауссовой формы

Pm(t)=Pme~at2.	(10.9)

(В дальнейшем полагаем Рт = 1.) Если ширина такого
импульса на уровне 0,5 будет Ти, то

« = (4/ги)1п2 = 2,77/Г*.	(10.10)

Спектр такого импульса

MQ)=CBx(Q)=^=e-n2/4a; <р(П)=0.	(10.11)

Х/Ла

Полоса частот этого спектра, определенная также на уровне
0,5 максимального значения для нижней и верхней границ
спектра, ,

ЛГ=0,88/Ти,	(10.12)

где Тп, как и выше, определена на уровне 0,5.

При введении в кабель импульса мощности рассматрива-
емой формы на выходе кабеля получаем импульс РВЬ1Х(г).

Тогда частотная характеристика кабеля

к(п)=Квы4^-,

где Хвх (Q) и КВЪ1Х (Q)—спектры'входного и выходного им-
пульсов.

На основании предыдущего имеем

/С(П)=е°’09п2г" f Рвых (t)e~in,dt	(10.13)

о

(постоянные величины, являющиеся множителями перед при-
веденными выражениями, опущены).

Если форма выходного импульса близка к гауссовой, т. е.
достаточно симметрична, то значение ширины ти импульсной
характеристики g(z) кабеля будет

"Ги = х/'t вых-твх,	(10.14)

где твых и твх—значения ширины выходного и входного
импульсов.

Интеграл, входящий в (10.13), представляет собой преоб-
разование Фурье. Для его вычисления из кривой, описывающей
полученный на выходе кабеля импульс, берутся отдельные
выборки, т. е. мгновенные значения импульса, и затем по
определенному алгоритму для преобразования Фурье проводят-
ся вычисления.

Для существенного сокращения времени и трудоемкости
операций при использовании нормированных импульсов можно
применить приближенно типовые характеристики. Этот метод
основан на том, что структура ОВ как направляющей
системы остается одинаковой для различных образцов волокон
независимо от значений их первичных параметров. Поэтому
при неизменной форме входных сигналов на выходе ОК
будем иметь импульсы, одинаковые по своему аналитическому
описанию, отличающиеся друг от друга только значениями
некоторых параметров, зависящих от первичных параметров
волокна.

Если в качестве входных импульсов выбрать импульс
симметричной формы (например, приближающийся к гаус-
совой), то возможные формы импульсов на выходе кабеля
будут приближенно, но с достаточной точностью принадлежать
к некоторому семейству приближенно-типовых импульсов (ПТ-
импульсов), отличающихся друг от друга только одним
параметром.

Эти ПТ-импульсы точно описываются следующими двумя
выражениями (для двух типов импульсов):

ys=

sinnS
sin id;

(

СХР РГТ b
\ tg4/

o ;

(10.15)

1 — cos2n0

1 — cos2k£,

/ £-е\
ехр 2л--- ;

(10.16)

о

где 0=//т; t—абсолютное время; т — полная длительность
импульса; £,—абсцисса максимума импульса (в единицах 0).

На рис. 10.7 и 10.8 приведены кривые, описывающие
ПТ-импульсы с параметрами £,, равными 0,1; 0,2; 0,3; 0,4;
0,5. Кривые с параметрами	т. е. 0,9; 0,8; 0,7; 0,6,

не приведены, так как они идентичны по спектрам этим же
кривым, но расположены симметрично (зеркально) относитель-
но оси: 0 = 0,5 по отношению к приведенным кривым. Для
этих всех вариантов форм выходных импульсов рассчитаны
нормированные частотные спектры ks(u), /<с(х), приведенные
на рис. 10.9 и 10.10. Сопоставив форму экспериментально
полученного выходного импульса с наиболее близкой ему
формой ПТ-импульса, определим параметр £, и далее из
рис. 10.9 или 10.10 найдем нормированный спектр.

Ниже подробно описана последовательность этих опе-
раций.
1.	Определение параметра £. Экспериментально полученный
импульс, зафиксированный с экрана осциллографа или переснятый
на фотопленку, приводится к масштабу кривых на рис. 10.7 и 10.8.
Для этого определяются отношения qx = Tm/xmax; qy~smax/ymax, где
тт—ширина полученного импульса, взятая на его нулевом уровне;
smaX — его максимальное значение; тт и smax берутся в линейных
единицах на осях координат; хтах и утах—максимальные значения
(в линейных единицах) величин 0 и или ус на рис. 10.7 и 10.8.

Тогда координаты точек кривой, описывающей эксперимен-
тально полученный выходной импульс в приведенном масш-
табе, будут: y' = qyy; x' = qxx; у, х—координаты эксперимен-
тально полученной кривой (импульса). Далее находится кривая
на рис. 10.7 или 10.8, с которой наилучшим образом со-
вмещается полученная в приведенном масштабе кривая. Под
наилучшим совмещением имеется в виду выбор такой кривой,
которая будет наиболее близка по форме к экспериментальной
кривой. Дополнительным критерием наилучшего совмещения
является условие, при котором при наложении эксперимен-
тальной кривой на типовую сумма площадей отклонений по
обе стороны типовой кривой будет минимальной.
Рис. 10.10. Нормированные частотные спектры /<с

Соответственно устанавливается значение параметра £, для
выбранной таким образом кривой ys (6) или ус (6).

Если кривая, описывающая форму экспериментально определен-
ного импульса, оказывается зеркальной по отношению к кривым на
рис. 10.7 или 10.8, следует кальку (или фотопленку), на которой
нанесена преобразованная по масштабу кривая, расположить на
рисунке своей обратной стороной симметрично относительно 0=0,5
и в таком положении найти оптимальное совмещение.

2.	Определение спектра импульса. По выбранному виду
функции к(0) или ус (0) и параметру £, на рис. 10.9 или 10.10
находят кривую, описывающую нормированный спектр выход-
ного импульса ks (у) или кс (и).

Аргумент х = Ог/тг = 2.Г/т выбран таким образом, что нор-
^щрованный спектр приближенно-типового импульса может
быть выражен так:

J’=x/2t.

3.	Определение амплитудно-частотной характеристики ка-
беля. Амплитудно-частотная характеристика может быть по-
лучена из выражений

K(F\=^^ или KiF\ = k^™
' ’ k(F)BX	' ’ fc(F)BX

где индексы «вых» и «вх» относятся к спектрам выходного
и входного импульсов.

Спектр входного (нормированного) импульса предполагает-
ся заданным, т. е. известным.

4.	Измерение дисперсии. Дисперсия ОВ определяется его
модовой структурой и частотными зависимостями коэффици-
ента распространения и диэлектрической проницаемости ма-
териала ОВ.

Независимо от вида и характера дисперсии принято оцени-
вать конечное проявление дисперсии по максимальному от-
носительному запаздыванию высшей передаваемой частоты
спектра сигнала на единичном пути его распространения.

Измерение дисперсии проводится в основном для одно-
модовых волокон, для которых эта величина дает возможность
достаточно полно оценить характеристики передачи и искаже-
ния сигналов, хотя и не отражает особенности, связанные
с формой входного сигнала.

Применительно к многомодовым волокнам знание диспер-
сии является существенно недостаточным для полного описания
характеристик передачи и распространения оптических сиг-
налов, так как дисперсия является частным параметром.

Непосредственный метод определения дисперсии сводится
к измерению относительного запаздывания на пути распростране-
ния импульсов для двух значений оптических длин волн и Х2.

Если трч) и "г (^2) представляют собой временные задержки
импульсов на пути I для соответствующих длин волн, то
Дисперсия

Т=Т(^)~Т(М.	(10.17)

(Xi—7-2 )4

Основной проблемой является правильное измерение значения
задержки. Импульсы, введенные в начало измеряемого кабеля,
приходят к его концу искаженными, что создает неопределен-
14 Заказ 2460	209
ность в правильном выборе точек на кривых, описывающих
импульсы, относительно которых измеряется запаздывание.

При этом следует иметь в виду, что хотя погрешности
измерения времени задержки должны уменьшаться с уменьшением
продолжительности импульсов и увеличением крутизны и фронтов,
однако при этом степень искажений увеличивается и, в частности,
увеличивается относительное уширение выходных импульсов.

Для уменьшения влияния указанных факторов на погреш-
ность измерения времени запаздывания форма и продол-
жительность входных (испытательных) импульсов должны быть
выбраны оптимальными.

Так как измеряется групповое время запаздывания, то
точки на оси времени, между которыми следует измерять
запаздывание, должны совпадать с абсциссами центров тяжести
площадей, ограниченных кривыми, описывающими входной
и выходной импульсы.

В этом случае искажение импульсов и их расширение на
выходе не повлияют на правильность измерения запаздывания.

Абсциссы центров тяжести импульсов

+ 00

to= f tP0(t)dt;	(10.18)

— co

+ co

ti= f tPtltjdt,
” 00

где P0(t) и Pi(t)—аналитические описания формы входного
и выходного импульсов. Величины t0 и tL определяются в
той же системе отсчета, в которой описывается PO i(t).

В качестве входного выбирается гауссовым импульс (или
близкий ему по форме)

P0(t) = Pme~at\

в этом случае t0 совпадает с абсциссой максимума импульса.

Если выходной импульс сохраняет симметричную форму, то
также соответствует его максимальному значению, и тогда за-
паздывание определяется интервалом между этими максимумами.

В общем случае форма выходного импульса отлична от
входного и является асимметричной; при этом значение
ti определяется расчетом по (10.18). Для этого находится
графоаналитическое решение интеграла

/(х)= f tPi(t)dt',

— •И.

I и | <сю принимается таким, при котором Р/(х)«/’! (tmax), где
tmax соответствует максимальному значению Рг, например,
Л(х)=10-2Л(/та;с).
Рис. 10.11. Схема измерения дисперсии челночно-импульсным методом:
генератор импульсов; 2—лазер; 3—линзы; 4—зеркала; 5—измеряемое ОВ; 6—
фотоприемник; 7—осциллограф; 8—формирователь задержки

Погрешность измерений будет тем меньше, чем больше
будет запаздывание импульса, которое увеличивается с длиной
пути I распространения. С ростом ширины полосы частот
кабеля дисперсия уменьшается, поэтому необходимость в из-
мерениях на более длинных образцах кабеля возрастает.

Так как использование реальных больших длин кабеля
может оказаться затруднительным, применяется метод челноч-
ных импульсов (рис. 10.11), в котором длина пути распрост-
ранения импульсов увеличивается при относительно небольшой
длине измеряемого кабеля. На обоих концах кабеля устанав-
ливаются ортогонально к оси волокна на его торцах через
слой согласующей иммерсионной жидкости полупрозрачные
зеркала. Импульсы, излучаемые лазером, распространяются,
многократно отражаясь от зеркал, т. е. совершают челночное
движение между зеркалами.

В каждый цикл прихода импульса к фотоприемнику часть
излучения проходит через полупрозрачное зеркало и попадает
на фотоприемник.

Осциллограф запускается исходными импульсами генера-
тора, которые модулируют лазер. Момент запуска определяется
задержкой, регулируемой электрическим формирователем за-
держки, значение которой определяет порядок челночных
циклов, после которых импульс проходит удлиненный путь
и фиксируется на экране осциллографа.

Количество отражений, которые могут быть зарегистри-
рованы, зависит от энергетического потенциала А, т. е. разности
(в децибелах) между мощностью излучения, введенной в измеря-
емый кабель, и минимальным значением принимаемой мощ-
ности.

Соотношение, определяющее максимальное значение
Nm числа принятых импульсов:

А - 201g Т- а/0 (20 lg R+2ос/о) (Nm -1),
где Т и R—коэффициенты пропускания и отражения зеркал;
а-—затухание в кабеле, дБ/км; /0—длина кабеля, км.

Хотя челночный метод дает возможность исследовать
искажения сигналов в широкополосных ОК и измерять малые
значения дисперсии, его применение ограничено большими
потерями мощности при каждом отражении от торцевых
зеркал.

10.4.	ИЗМЕРЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Измерение апертуры. Апертура представляет интерес и может
явиться предметом измерений в основном применительно
к многомодовым кабелям. Числовая апертура NA для случая, когда
торец волокна граничит с воздухом, определяется как NA = sin 0Л,
где 0Л—предельный угол между оптической осью волокна и лучом,
распространяющимся в данном прямолинейном волокне.

В действительности, вследствие волновой природы излуче-
ния и Дифракционных явлений на торце волокна резкого
ограничения по углу излучения из волокна (или по углу
ввода излучения в волокно) не существует.

Апертурный угол можно определить на основании измере-
ния угловой характеристики излучения волокна. Для этого
в отрезок волокна длиной не менее нескольких метров вводится
через смеситель мод и фильтр оболочечных мод излучение
от лазера. На выходе волокна на расстоянии 10—20 см от
его торца измеряется под различными углами к оси волокна
сканирующим фотодектором относительная яркость излучения

г(0)—Ьв/Ь0.

Здесь —яркость в направлениях, образующих угол 0 с осью
волокна; Lo—яркость в направлении 0 = 0. Угол
0т соответствует r(0m) = cy, где о<1. Практически о выбирается
достаточно малой (0,05 или 0,1).

Выходной (излучающий) торец волокна должен быть хо-
рошо обработан, плоскость его должна быть перпендикулярна
оси волокна, которая должна совпадать с осью фотодетектора
при его угловом центральном положении.

Измерение профиля показателя преломления. Профиль по-
казателя преломления поперечного сечения волокна определяет
его характеристики передачи. Обобщенное аналитическое описа-
ние профиля градиентного волокна:

Г /«.хЛи/г

и(г) = и0 1—2А

(10.19)

а

где А = (и0—«а)/и0; «0—показатель преломления на оси серд-
цевины; па—то же на его периферии; а—радиус сердцевины.

Показатель степени g определяет вид профиля. Влияние
этого показателя на ширину полосы частотной характеристики
волокна весьма существенно. Оптимальное значение g зависит
от ряда факторов, в частности от значения рабочей оптической
частоты и спектральной характеристики показателя преломле-
ния. При отклонении g от оптимального значения на 3—5%
полоса частот уменьшается почти на порядок. Поэтому
погрешность измерения и (г) должна быть достаточно мала. Для
реальных значений А погрешность измерения не превышает 10“4.

Для измерений с такой точностью нужны достаточно
сложные установки, такие измерения проводятся, как правило,
только для выходного контроля при производстве ОВ или
при разработках и исследованиях различных профилей.

Наиболее точным, дающим погрешность не более 10 “6,
является метод голографической микроинтерферометрии. Од-
нако обработка результатов измерений при этом методе
занимает много времени, а само проведение измерений требует
прецизионных условий, в частности усиленной защиты от
малейшей вибрации, что затрудняет применение этого метода
в заводских условиях.

Интерферометрические методы также являются достаточно
точными (погрешность порядка 10 “5). Эти методы удобны
для измерения л (г) как в заготовках, из которых вытягивается
волокно, так и в самих волокнах. Сложностью этих методов
является также необходимость получения среза от заготовки
или волокна плоскопараллельной пластинки с высокой сте-
пенью обработки ее поверхностей. На основании изучения
и обработки интерференционной картины на поверхности
пластинки получают зависимость и (г). Основным прибором
в этом методе является интерферометр Маха—Цандера.

Метод фокусировки, дающий погрешность измерений не
более 10“4—10“5, заключается в том, что образец (заготовка
или волокно), помещенный в иммерсионную жидкость, освеща-
ется в поперечном направлении монохроматическим некогерент-
ным светом и рассматривается под микроскопом. Иммерси-
онная жидкость устраняет влияние внешней границы оболочки
образца. Сердцевина, являющаяся в этом случае цилиндричес-
кой линзой, фокусирует свет, распределение плотности потока
которого в плоскости изображения измеряется с помощью
видеокамеры. Распределение плотности потока пересчитывается
в распределение и (г). Вместо видеокамеры возможно примене-
ние обычного микроскопа, перемещаемого в направлении
поперечной оси образца.

Градуированный фото дектор, совмещенный с окуляром
и связанный с микропроцессором, обеспечивает автоматический
пересчет распределения плотности потока Р(г) в распределение
4)

Соотношение, устанавливающее указанную связь,

«(') =



(10.20)
8

Рис. 10.12. Схема установки для измерения профиля показателя преломления
ОВ методом отражения:

1—лазер; 2—механический модулятор; 3—поляроид; 4—пластина Х/4; 5—коллимиру-
ющая система; б—делительная пластина; 7—фотодиод; 8—цифровой вольтметр; 9—
измеряемое ОВ; , 70—объектив микроскопа; 11—цифровой вольтметр; 12—кювета
с иммерсионной жидкостью; 13—фотодиод; 14—синхронный усилитель; 15—экран;

16—двухкоординатный самописец

*

Длина образца должна быть, около 2 м, в этом случае
влияние вытекающих мод на результаты измерений ис-
ключается.

Наиболее простым является метод, основанный на явлении
отражения света от различных элементов поверхности попереч-
ного сечения волокна. Йа рис. 10.12 приведена соответствующая
схема измерения профиля показателя преломления.

Излучение одномодового лазера 1 фокусируется на торец
образца 9 и измеряется коэффициент отражения при сканирова-
нии торца сфокусированным пятном. Визуальный контроль
осуществляется на экране 15 с помощью делительной пластины
6. Для устранения отражений от выходного торца волокна
последний погружен в иммерсионную жидкость в кювете 12.
Для повышения четкости отсчетов применяется четвертьволно-
вая пластина 4, которая в сочетании с линейно поляризованным
излучением лазера устраняет паразитные отражения и засветки.

Мощность излучения отраженного от различных участков
поперечного сечения (торца) волокна фиксируется на двухко-
ординатном самописце 16 и может быть отсчитана на приборе
11, показания которого проградуированы в единицах измеря-
емых значений.

Погрешность этого метода порядка 10 ~4 при пространст-
венном разрешении около 1 мкм. Данный метод может быть
применен и для одномодовых волокон.

Измерение длины волны отсечки и диаметра поля моды
одномодового волокна. Теория, описывающая структуру поля
в ОВ, показывает, что всегда можно представить себе такое
одномодовое волокно со ступенчатым профилем показателя
преломления, которое имеет ту же постоянную распространения
п структуру поля, что и одномодовое волокно с произвольным
профилем п(г). Единственным ограничением этого положения
является требование сохранения знака производной и'(г) на
всем интервале О^г^а.

Таким образом, для практических целей реальное одно-
модовое волокно, у которого профиль и (г) не является строго
ступенчатым, можно заменить эквивалентным волокном с иде-
альным ступенчатым профилем, имеющим другой радиус
сердцевины.

Распределение поля основной моды в одномодовых волок-
нах вблизи длины волны отсечки можно аппроксимировать
функцией Гаусса. Указанные принципы эквивалентности, а так-
же вид аппроксимации используются при расчетах и принятых
методах измерений длины волны отсечки Хс, при которой
возникает следующая мода (после моды НЕц), и диаметра
поля основной моды.

При длине волны Хс волокно перестает быть одномодовым.
В одномодовом прямолинейном волокне с идеальным ступен-
чатым профилем и (г) длина волны отсечки

Хс=(2тга/3,405) х/2Д=1,844а^,	(10.21)

где NA = niy/'2A—числовая апертура.

В реальных волокнах длина волны отсечки меньше, чем
Хс, полученная по формуле (10.21), по следующим причинам:
реальный профиль отличен от идеального ступенчатого; суще-
ствуют макроизгибы относительно малого радиуса, а также
микроизгибы, нарушающие теоретическую структуру поля.
Вторая из указанных причин более существенно влияет на
отклонение величины Хс от той, которая соответствует иде-
альным условиям.

Диаметр поля основной моды w характеризует распределе-
ние энергии в поперечном сечении одномодового волокна
и определяет потери на рассеяние, связанные с различными
неоднородностями. Кроме того, диаметр поля основной моды
определяет потери на соединениях. Следует отметить, что,
зная зависимость w=/(X), можно определить Хс (что исполь-
зуется в некоторых методах измерения Хс).

Непосредственный метод измерения w заключается в ска-
нировании поперечного сечения излучающего торца одномо-
Дового волокна фотоприемным устройством и в определении
границы мощности на уровне е-1.

Реализация указанного принципа имеет свои модификации:
а) метод ближнего поля, при котором распределение мощ-
ности снимается микроскопом при высокой степени его
фокусировки непосредственно у поверхности торца;


Рис. 10.13. Измерение диаметра основной моды:

1—лазер; 2—фильтр оболочечных мод; 3—устройство ввода; 4—входное одномодовое
волокно; 5—соединительная муфта с зазором; б—выходное одномодовое волокно
(идентичное входному); 7—фотоприемник; 8—измеритель мощности

б)	метод дальнего поля, при этом распределение мощности
находится сканированием фотодетектором дальнего поля, из-
лучаемого торцом;

в)	метод относительного поперечного смещения двух иден-
тичных одномодовых волокон; в этом методе применяется
специальное трехкоординатное юстировочное устройство, да-
ющее возможность с большой точностью определить полярные
координаты перемещаемого торца волокна относительно непо-
движного торца другого волокна.

Для устранения потерь на отражение и дифракционные явления,
нарушающие точность измерений, торцы помещены в иммерсион-
ную жидкость на расстоянии около 5 мкм друг от друга.

Очень удобен косвенный метод измерения w, не требующий
сканирования (рис. 10.13). Этот метод использует соотношение

a(X)fl6=101g

(10.22)

где а(Х)дб—затухание зазора между идентичными торцами
одномодовых волокон, заполненного иммерсионной жидко-
стью; 5—длина зазора; ‘к—длина волны, на которой измеря-
ется затухание. Это соотношение справедливо для гауссова
описания пятна первой моды. '

Значение 8 выбирается около нескольких микрометров. Для
выбранного значения X измеряется затухание зазора, и по
формуле (10.22) определяется значение w. Процесс измерения
проводится следующим образом. Излучение от лазера 1 через
фильтр оболочечных мод 2 и устройство ввода 3 подается
на входное волокно 4, подлежащее измерению. Выход волокна
4 подключается к входу фотоприемника 7 и измеряется
мощность с помощью измерителя 8 на выходе этого волокна;
затем через муфту с зазором 5 включается выходное волокно
6 и измеряется мощность на его выходе (условия ввода
мощности на входе 4 остаются при этом неизменными).

Затухание

oW=10is^-“6(4

гДе jP4(1) и Р6(Х)—мощности на выходе 4 и 6; a6(Z.)—затухание
выходного волокна.
3

6

Рис. 10.14. Измерение волны отсечки одномодового волокна методом переда-
ваемой мощности

Непосредственный метод измерения 70 (метод передаваемой
мощности) основан на том, что на волне отсечки вследствие
перераспределения мощности излучения между модами мощ-
ность падает.

На рис. 10.14 приведена схема измерений. Одномодовое
волокно 4 возбуждается от перестраиваемого лазера 1 через
устройство ввода 2 и фильтр оболочечных мод 3. Через то
же устройство ввода возбуждается опорное многомодовое
волокно 5. Выходы фотоприемников б подключены к блоку
7, выдающему на своем выходе разность уровней (в децибелах)
мощностей на выходе 4 и 5. Таким образом, оконечный
индикатор 8 дает нормированную мощность (относительно
мощности на выходе многомодового волокна). Введение до-
полнительного многомодового волокна устраняет влияние
изменения входной мощности при перестройке лазера и обес-
печивает возможность наблюдения спада мощности на выходе
при Х = Х0. Длина измеряемого образца выбирается около 2 м.

Разновидностью этого метода является метод изгиба,
который основан на том, что в изогнутом волокне возникает
дополнительное затухание, зависящее от длины волны a„(Z).
Волокно, как и в предыдущем случае, возбуждается перестраи-
ваемым лазером. В качестве опорного волокна, относительно
которого нормируется мощность, выбирается это же волокно,
намотанное на бобину с радиусом, при котором потери на изгиб
практически отсутствуют (R ^200 мм). Определяют зависимость
выходной мощности от длины волны при сохранении
постоянства мощности на входе волокна. При тех же условиях
ввода излучения волокно наматывается на каркас радиусом
10—15 мм. При этом потери на изгиб достаточно существенны.

Далее измеряется зависимость мощности на выходе изогнуто-
го волокна от длины волны РИ(Х). В результате получаем потери
на изгиб, нормированные относительно прямолинейного волокна:
Рис. 10.15. Зависимость диаметра w поля
первой моды от длины волны (X)

При Х = ХС а„(Х) имеет максимум. Значение волны отсечки
можно также получить исходя из зависимости w(X). Для этого
определяем описанным выше способом значение w для раз-
личных^длин волн. График такой зависимости имеет характер
кривой, представленной на рис. 10.15. Погрешность измерений
длины волны отсечки около ±(0,005—0,01) мкм.

Значение Хс можно найти также на основании указанного
ранее принципа эквивалентного ступенчатого волокна. При
этом используется соотношение

w=4a

( х W

0,65 + 1,619 ——	+2,879

\2тшЛи/

/ х у

1 2naNA 1

, (10.23)

где 2а и NA относятся к эквивалентному волокну со ступен-
чатым профилем и (г).

Выбираем два значения X, и Х2, для которых измеряем
затухание в зазоре а(Х1) и оцХ2) указанным выше способом.

Из (10.22) находим и w(X2), соответственно получаем
два уравнения вида (10.23). Из их совместного решения
находим значения 2а и NA эквивалентного волокна. Используя
выражение (10.21), находим Х'с.

10.5.	ИЗМЕРЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Отклонения геометрических размеров сердцевины от но-
минальных значений существенно влияют на характеристики
передачи, и в том числе на затухание. Степень и характер
влияния указанных отклонений зависят от длины участков
волокна, на которых эти отклонения имеют место.

Отклонения диаметра оболочки при достаточной ее тол-
щине слабо сказываются на характеристиках передачи. В ча-
стности, в одномодовых волокнах, где толщина оболочки
больше, чем у многомодовых, отклонение от геометрических
размеров, определенное по внешнему диаметру в пределах
нескольких микрометров, практически не влияет на одномо-
довый режим. Однако контроль размеров оболочки является
необходимым для обеспечения требований стандартизаций
устройств разъемных соединений и ввода в аппаратуру,
входящую в состав оборудования ВОСП и устройств измере-
ний. Согласно существующим рекомендациям МККТТ и при-
нятым стандартам диаметр сердцевины многомодовых во-
локон принят равным г/с = 50 мкм, а оболочки г/0=125мкм.
Следует, однако, также указать на стандартизованный ряд
возможных соотношений d^d^. 80/125; 90/125; 100/140; 100/200.
Использование этого ряда возможно в дальнейшем, в част-
ности, при переходе к более длинноволновой части спектра
ИК-диапазона волн.

В целях унификации и обеспечения требуемых механических
параметров диаметр внешней оболочки одномодовых волокон
для диапазона длин волн Х= 1,3 4-1,55 мкм также выбран
равным 125 мкм. Диаметр сердцевины этих волокон для того
же диапазона волн 1а = (94-11) мкм.

Допуск на отклонение от номинала внешнего диаметра
равен +2,4% (для одномодовых и многомодовых волокон).
Допуск на диаметр сердцевины составляет +6%. Неконцен-
тричность окружности оболочки относительно центра сердце-
вины не должна превышать 6%. Значение эллиптичности
оболочки не должно превышать 2,4%, а сердцевины — 6%.

Внешний диаметр волокна контролируется еще в процессе
вытяжки, причем датчик, контролирующий эту величину,
вырабатывает сигнал обратной связи системы автоматического
управления процессом вытяжки волокна. Таким образом,
поддерживается режим, обеспечивающий постоянство величины
d в заданных пределах.

Существующие системы такой автоматизации позволяют
получить стабильность размеров диаметра d на длине волокна
1 км около ±0,5%. Независимо от контроля значения d в про-
цессе вытяжки измерение геометрических параметров может
быть также выполнено на готовом изделии.

Разрешающая способность средств измерения этих парамет-
ров должна быть 0,1—0,01 мкм. Измерения диаметров
d0 и dc, а также отклонений сечения от круглого производятся
визуальными методами с применением микроскопов. Более
точные измерения используют интерферометрические методы
в различных их вариантах. Эти методы имеют специфические
особенности, выходящие за рамки изложения материала насто-
ящей книги, поэтому их описание нами опускается.

10.6.	ИЗМЕРЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ И КЛИМАТИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК

Измерение механических характеристик ОВ. Оптические
волокна, входящие в конструкцию ОК в качестве его основного
рабочего элемента, являются наиболее уязвимыми для всех
внешних воздействий, поэтому следует особо рассмотреть
измерения их механических характеристик.

Если нет особых условий, в которых должны работать
волокна, то все измерения их механических характеристик
должны производиться при температурах 15—35° С при ат-
мосферном давлении 86,7—107 кПа и относительной влажности
воздуха 45—75%.

Разрушающее напряжение на растяжение определяется допусти-
мым растягивающим усилием, которое лежит в пределах до 100 Н.
Это измерение проводится на специальной разрывной машине.

В образце определенной длины измеряются относительное уд-
линение при растяжении и разрушающее напряжение при разрыве.

Прочность на изгиб характеризуется минимальным ради-
усом изгиба волокна rmin и допустимым их числом при
многократных изгибах на угол +90°. Минимальный радиус
изгиба 5—25 мм, а число изгибов не превышает 100.

Прочность на кручение характеризуется максимально до-
пустимым моментом кручения или углом кручения волокна.

Прочность волокна на истирание (шлифовка, полировка) иссле-
дуется для определения возможности и степени обработки торцов.

Для .такой проверки применяют инструмент для резки
волокна,  зажим кольцевого типа, микроскоп, абразивы раз-
личной зернистости, жидкости для очистки торцов, приспособ-
ления для шлифования и полирования.

Измерения механических характеристик ОК. Эти измерения
имеют целью установление предельных значений прочности
кабеля, при которых нарушается его рабочее состояние под
воздействием различных нормированных механических условий.
Под нарушением рабочего состояния имеются в виду одно
из следующих состояний ОК:

1)	разрушение (в любом месте) хотя бы одного из ОВ,
входящих в конструкцию кабеля;

2)	остаточное увеличение затухания хотя бы одного из
волокон более чем на 10% (дБ) от номинального затухания,
измеренного до механических испытаний;

3)	появление хотя бы на одном из волокон одной (или
нескольких) локальных неоднородностей, создающих коэффици-
ент отражения около 1—2% и более;

4)	нарушение прочности кабеля при разрыве, изгибе, смятии
(поперечном сжатии), ударе.

Под нарушением прочности имеются в виду необратимые
деформации элементов конструкции кабеля и кабеля в целом,
а также разрушение оболочек или армирующих элементов.

Испытание ОК на разрыв и определение допустимого
растягивающего усилия производятся в различных условиях,
в зависимости от того, относится конструкция данного кабеля
к плотной структуре или к структуре со свободной укладкой.
Испытание кабелей первого типа осуществляется на раз-
рывной машине. Образцы, длина которых достаточна для
такой машины, закрепляются в зажимах последней. Все
элементы конструкции кабеля на концах образца скрепляются
друг с другом (например, зажимами); это обеспечивает одина-
ковое значение деформаций всех элементов.

Испытание кабелей со свободной укладкой производится
на разрывной машине, в зажимах которой закреплены специ-
альные приспособления в виде нескольких, вращающихся на
общей оси (независимо друг от друга) дисков.

Эти диски используются таким образом, что обеспечиваются
условия деформаций отдельных элементов конструкции, кото-
рые нежестко связаны друг с другом. Этим самым учитывается
то обстоятельство, что деформация элементов конструкции
кабеля со свободной укладкой во время его прокладки различна.

Такая конструкция указанного приспособления достаточно
точно имитирует условия прокладки в кабельную канализацию.
(Испытания на растяжение в основном необходимы для оценки
усилий, прикладываемых к кабелю при его прокладке.) Ис-
пытание ОК на изгиб отражают условия, которые соответ-
ствуют ситуациям, имеющим место при прокладке кабеля,
его монтаже и эксплуатации. Соответственно могут быть
изгибы различного характера (локализованные, распределенные
по длине, кратковременные или постоянные).

При длительных распределенных изгибах испытание осу-
ществляется намоткой на барабан нормированного диаметра.
Для испытания на прочность при многократных кратковремен-
ных сосредоточенных изгибах применяются специальные
устройства, на которых кабель изгибается вокруг цилинд-
рических шаблонов определенного диаметра требуемое число
раз. Испытание на поперечное сжатие производится путем
приложения груза к двум плоским металлическим пластинам,
между которыми укладывается часть образца. Края пластин
(по длине кабеля) имеют специальные закругления для пре-
дупреждения возможности повреждения кабеля в этих местах.

Определение прочности кабеля при ударе обычно осущест-
вляется с помощью падающего металлического груза опре-
деленной массы, перемещающегося вдоль вертикальных направ-
ляющих.

Груз падает на шаблон, цилиндрическая поверхность которо-
го соприкасается с поверхностью испытываемого участка кабеля.

Климатические испытания. Исследования климатических ха-
рактеристик проводятся в климатических камерах, в которые
помещаются испытуемые образцы. В камерах обеспечивается
требуемая температура с отклонениями ±2° С. Образец выдер-
живается в камере в течение 20 ч, затем нагревается (или
охлаждается) до комнатной температуры, выдерживается при
этой температуре 1 ч, после чего измеряются требуемые
параметры или характеристики.

Диапазон рабочих температур обычно находится в пределах
— 30 4- + 70° С (если нет особых условий испытаний). К тем-
пературным испытаниям может также относиться испытание
на допустимый перепад температур (тепловой удар) и стойкость
как характеристик передачи, так и целостности конструкции
кабеля к циклическим изменениям температуры.

Исследование влияния влаги проводится с образцом в виде
свободной бухты отрезка кабеля диаметром не менее 300 мм
при нормированной длине образца, помещенной в специальную
камеру, в которой поддерживаются заданные влажность и тем-
пература. После заданной выдержки образца в камере его
температура доводится до температуры окружающей среды
и провидятся контрольные измерения параметров.

ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ

МОНТАЖ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ
♦

11.1.	ТРЕБОВАНИЯ К МОНТАЖУ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ

Монтаж ОК—наиболее ответственная операция, предопределя-
ющая качество и дальность связи по ВОСП. Соединение волокон
и монтаж кабелей осуществляются как в процессе производства,
так и при строительстве и эксплуатации кабельных линий.

Монтаж ОК бывает постоянный (стационарный) и времен-
ный (разъемный). Постоянный монтаж выполняется на стаци-
онарных кабельных линиях, прокладываемых на длительное
время, а временный—на мобильных линиях, где приходится
неоднократно соединять и разъединять строительные длины
кабелей. Соединители ОВ, как правило, представляют собой
арматуру, предназначенную для юстировки и фиксации соединя-
емых волокон, а также механической защиты сростка. Основные
требования, предъявляемые к соединителям: простота конст-
рукции, малые переходные потери, стойкость к внешним
механическим и климатическим воздействиям, надежность.
Дополнительно к разъемным соединителям предъявляется
требование неизменности параметров при повторной стыковке.

Потери в соединительных устройствах в основном воз-
никают из-за несовмещенности и несоосности торцов волокон,
поэтому допуски на внешние диаметры волокон должны быть
жесткими. Необходимо также, чтобы технология процесса
сращивания была по возможности простой, не требующей
сложных инструментов и оборудования. Торцы соединяемых
волокон должны быть оптически плоскими.
Важным требованием является обеспечение высокой ста-
бильности оптического контакта, т. е. сохранение его парамет-
ров во времени независимо от температуры, влажности
и многократности соединения и разъединения сростка. Необ-
ходима надежная гидроизоляция ОВ от влаги и агрессивных
‘компонентов окружающей среды (земля, вода, атмосфера).

 ‘f В этой главе рассматриваются методы соединения ОВ
и монтаж строительных длин ОК в целом.

-• Оптические соединения в общем случае включают в себя:
а) основу — участки соединяемых волокон, специально под-
готовленных к соединению;

б) арматуру, предназначенную для юстировки, фиксации
требуемого взаимного положения соединяемых частей и для
механической защиты оптического контакта.

Оптические соединители классифицируются по выбранному
принципу оптического контакта и по конструкции и технологии
осуществления такого контакта.

Оптические соединители делятся также по назначению,
а именно для соединений одиночных волокон и групп волокон.

При соединении волокон с одинаковыми номинальными
размерами сердцевины и одинаковым распределением прелом-
ления по радиусу волокна наилучшую эффективность обес-
' печивает торцевое сочленение волокон. Дополнительные потери,
вносимые соединения ОВ в тракт передачи кабеля, определя-
ются двумя группами параметров. Параметры, связанные
с особенностями метода соединения, в том числе с подготовкой
концов волокон, называются внешними (по отношению к волок-
ну) и включают в себя поперечное смещение сердцевины,
разнесение торцов, наклон осей, угол наклона торца волокна,
френелевские отражения. Группа, связанная со свойствами
самого волокна, содержит внутренние (по отношению к волок-
ну) параметры, обусловленные, например, вариациями диаметра
сердцевины, числовой апертуры, профиля показателя прелом-
| пения и др.

Стационарный монтаж выполняется с помощью неразъем-
ных соединителей, а временный монтаж многократного ис-
пользования—с помощью разъемных соединителей.

Наибольшее применение получили электросварка (для стаци-
онарных кабелей) и штекерные разъемные соединители (для
кабелей мобильного назначения).

11.2. ЭФФЕКТ СМЕЩЕНИЯ СОПРЯГАЕМЫХ ВОЛОКОН

Е Основной задачей соединения ОВ является обеспечение
строгой их соосности, идентичности геометрии торцов, пер-
йендикулярности поверхностей последних оптическим осям
волокон и высокой степени гладкости торцов.
Рис. 11.1. Радиальное 8/J (а), угловое в (б) и осевое s (в) смещения волокон
при их соединении:

1—7УЛ = О,5; 2—#4=0,15; 3 — без заполнения; 4—с заполнением

Рассмотрим влияние основных факторов на качество
соединения ОВ. На рис. 11. Г приведены возможные де-
фекты сопряжения ОВ (радиальное, угловое и осевое сме-
щение). Если коэффициент передачи энергии от одного
волокна к другому Т|, причем для идеальных условий т] = 1,
то будем иметь:

при радиальном смещении (рис. 11.1,а) г]8=1—8/й?;

при угловом смещении (рис. 11.1,6) Г]о= 1 — 6/6л;

при осевом смещении (рис. 11.1,в) r]s= 1 — stgQA/2d.

Здесь 6Л—апертурный угол волокна.

Приведенные выражения достаточно хорошо согласуются
с экспериментальными при, относительно малых значениях 8,
6 и s, а именно: 8/й?^1; и 6<10°.
При этих значениях дополнительные потери, дБ, вносимые
рассогласованностью сопрягаемых волокон, могут быть опре-
делены соответственно по формулам

A =101g—; Л=101ё—; A=101g~.

8	П8 е Пе	Hs

Исследования показывают, что наиболее жесткие требования
предъявляются при радиальном и угловом смещении. Наличие
зазора между торцами волокон существенно меньше влияет
на потери.

11.3.	НЕРАЗЪЕМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

В настоящее время в разных странах для соединения ОВ
получили развитие весьма различные способы. Рассмотрим
некоторые из них.

Применение соединительных трубок. Один из самых рас-
пространенных способов постоянного соединения волокон со-
стоит в использовании прецизионных втулок или трубок,
которые, будучи изготовлены точно по наружному диаметру
ОВ, придают ему требуемое положение и фиксируют его.
Трубки чаще всего сделаны из стекла, коническая часть у конца
трубки облегчает ввод ОВ. Конструкция одного из неразъемных
соединений показана на рис. 11.2. Соединитель состоит из
полой стеклянной втулки 1 с отверстием 2 для заливки
склеивающего компаунда 4, который одновременно служит
и для согласования показателей преломления соединяемых
волокон 3. Среднее значение затухания в местах стыков
составляет 0,29 дБ.

Роликовое соединение. Хорошие результаты дает роликовое
соединение (рис. 11.3). Здесь юстировка сращиваемых волокон
1 обеспечивается фиксацией с помощью прецизионных стержней
2. Три стержня укладывают вокруг соединяемых волокон,
точно юстирую их оси. Снаружи сросток обжимается термо-
усаживаемой трубкой 3. Затем внутрь соединения с помощью
микрошприца вводится склеивающий компаунд с соответст-
вующим показателем преломления. Потери на сростке не
превышают 0,5 дБ.

Рис. 11.2. Соединение волокон с по-
мощью трубки

Рис. 11.3. Роликовое соединение

15 Заказ 2460

225
Рис. 11.4. Соединение волокон с помощью пластин с канавками круглой (а)
и V-образной (б) форм:

1—волокно; 2—канавки; 3—пластина; 4—крышка

Применение пластин с канавками. В пластинах из пластмассы или
металла делаются высокоточные канавки V-образной или круглой
формы (рис. 11.4). Концы сращиваемых волокон 1 заводятся
в канавки 2 пластины 4, закрепляются клеем и прижимаются
крышкой 3. Среднее значение потерь на стык составляет 0,5 дБ.

К неразъемным соединениям относится также электроду-
говая сварка.

11.4.	РАЗЪЕМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Для обеспечения малых потерь при разъемных соединениях
необходимо обеспечить весьма высокую точность изготовления
всех деталей соединения, так как любая целесообразная
конструкция разъемного соединения должна исключать необ-
ходимость оптической юстировки.

Штекерный разъемный соединитель. Разъемный штекерный
соединитель многократного использования, предназначенный
для соединения ОВ с пластмассовым покрытием, представлен
на рис. 11.5.

Рис. 11.5. Штекерные соеди-
нения:

а—гнездо; б—штырь; в—сро-
сток; 1—волокно; 2—канал;

3—сопрягаемые поверхности
Рис. 11.6. Механический сросток:

волокно; 2—пластмассовая втулка; 3—за-
ливочный компаунд; 4 и 5—полумуфты

Диаметр отверстия конического канала является единственным
критическим размером. В штыревую часть и гнездо соединителя
вставляются заранее подготовленные концы ОВ. Фиксация ОВ
1 в штыревой и гнездовой частях обеспечивается путем сжатия
концов трубок 3 из стали, надетых на пластмассовую оболочку.
При выполнении операции соединения наружные сопрягаемые
поверхности 4 тесно соприкасаются друг с другом, а торцы
ОВ оказываются разделенными небольшим зазором. После
соединения штыревая и гнездовая части фиксируются между
собой с помощью гайки с накаткой (для этого на наружной
поверхности гнездовой части соединителя имеется резьба).

Механический сросток. Наиболее характерная конструкция
механического соединителя приведена на рис. 11.6. В сростке
соединяемые волокна 1 вводятся в пластмассовую втулку 2,
свободное пространство заполняется компаундом 3, оказыва-
ющим скрепляющее действие и уменьшающим потери на
отражение от торцов. Снаружи сросток герметично закрыт
и механически защищен полумуфтами 4, 5.

11.5.	МЕТОДЫ МОНТАЖА ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ

При монтаже ОК в целом необходимо обеспечить высокую
влагостойкость сростка, надежные механические характеристики
на разрыв и смятие и пригодность сростка для длительного
нахождения в земле. В настоящее время получили развитие
различные варианты монтажа ОК, назовем характерные из них.

Каркасный метод. Для монтажа ОК (рис. 11.7) используется
металлический каркас с числом продольных стержней, равным
числу сращиваемых волокон. Оптические волокна 2 сращива-
I ются одним из указанных выше способов. Сростки волокон
размещаются на эбонитовых пластинках и крепятся так, чтобы
сросток 3 не испытывал продольного воздействия на разрыв.

Поверх каркаса накладывают несколько слоев полиэтиленовой
, ленты, а затем надевают термоусаживаемую муфту 5 с подклеи-
I вающим слоем. Достоинством муфты является плотное обжатие
конусов сростка при воздействии положительной температуры.
5

Рис. 11.7. Каркасный метод монтажа:

а—каркас на шесть волокон; б—крепление сростка на пластинке; в—общий вид муфты;
1—О1$; 2—волокно; 3—сросток; 4—каркас; 5—термоусаживаемая муфта

Монтаж ОК с силовыми элементами. При наличии в ОК
силовых армирующих элементов они соединяются напрямую,
а ОВ укладываются в муфте в виде петли (рис. 11.8).
В результате армирующие элементы воспринимают на себя
растягивающую нагрузку, возникающую в процессе прокладки
и эксплуатации кабеля. Защита сростков от влаги осуществ-
ляется с помощью гидроизоляции, накладываемой в конусах
и на середине соединительной муфты. Кольцо защищает
сросток от радиального давления.

Монтаж плоских ОК. Монтаж ОК, выполненных в виде
многоволоконных плоских лент с общим пластмассовым по-

Рис. 11.8. Монтаж ОК с силовыми элементами;

1 и 6—волокна; 2—металлическое кольцо; 3—кабель; 4—гидроизоляция; 5—соединение
силовых элементов; 7—силовые элементы; 8—муфта
крытием, осуществляют следующим образом. Волокна на конце
ленты оголяют на расстояние 1 см и ленту помещают в матрицу,
как показано на рис. 11.9, а. Концы волокон лежат на участке,
имеющем прецизионные канавки. Затем в матрицу заДивают
пластический материал, который обволакивает волокна и препят-
ствует их дальнейшему перемещению (рис. 11.9,6). Волокна,
залитые пластмассой, выдерживают в матрице до ее застывания.
В узком зазоре, где расположен прецизионный участок, волокна
пластмассой не заливают. Затем волокна разрывают путем их
изгиба и растяжения. Застывшая пластмасса фиксирует волокна
в торце ленты. После этой операции лента готова к сращиванию.
Далее концы двух лент закладывают в шаблон, а в зазор между
торцами для скрепления лент друг с другом заливают эпоксидный
компаунд с соответствующим коэффициентом преломления.

Разъемная пресс-форма выполняется из латуни; прецизион-
ные зазоры сделаны из стали и вставляются в латунную
пресс-форму. Концы волокон в полимерном покрытии зачища-
ют посредством растворения материала покрытия и удаления
его с волокон. Толщина полимерного покрытия составляет
25 мкм. Заливка волокон осуществляется полиэфирной смолой.
По результатам испытаний потери в таких соединителях
составляют не более 0,2 дБ.

Для монтажа кабеля, состоящего из 12 лент по 12 волокон
в каждой ленте, требуется приблизительно 1 ч 45 мин. При
существующей технике соединений основное время (около 1 ч)
затрачивается на подготовку и укладку концов волокон. Резка
концов лент требует около 15 мин. После обрезки концов
последние укладывают на центрирующие гребенки, имеющие
пазы. Концы лент расположены на плате с прецизионными

Рис. 11.9. Монтаж плоских ленточных кабелей:
а—элементы монтажа; б—общий вид сростка; 1—сросток; 2—короб; 3 волокно
Рис. 11.10. Фигурный соединитель на 11
волокон:

1 — волокна; 2—сжимаемая пластмасса

канавками. Механическим встряхиванием производят укладку
волокон в канавки. После этого эпоксидным компаундом
фиксируют конец ленты. Место соединения закрывают крыш-
кой, которая приклеивается к основанию быстродействующим
эпоксидным клеем. Через щели в крышке иммерсионный
компаунд подается в место соединения. Концы каждой ленты
обрабатывают отдельно. Данный метод не требует шлифовки
и полировки соединяемых концов ОК. Средние потери в месте
соединения составляют 0,2 дБ, стандартное отклонение 0,32 дБ.
Пять процентов соединений имели потери меньше чем 0,1 дБ,
а 95%—меньше 0,8 дБ.

Применение фигурного соединителя. Соединитель, предназна-
ченный д5тя многоволоконных кабелей и не требующий опера-
ций шлифования, полирования и склеивания волокон, приведен
на рис. 11.10. Каждое стекловолокно надежно удерживается
в пространстве, образованном тремя цилиндрическими поверх-
ностями, изготовленными из сжимаемой пластмассы. Каждая
тройка выравнивающих элементов создает направленное к цент-
ру давление на волокно, подобно трехкулачковому патрону
дрели, который держит сверло. Волокна меньшего диаметра
будут едва касаться поверхности выравнивающих элементов,
в то время как толстые волокна будут деформировать их.
Сборка соединителя состоит во введении волокон с обоих
концов в каналы, образованные смежными цилиндрическими
поверхностями выравнивающего элемента. После того как две
половины соединителя установлены, они скрепляются вместе
и каждое волокно занимает надлежащее положение между
тремя цилиндрическими поверхностями. Потери в соединителе
не превышают 0,3 дБ, переходное затухание превышают 70 дБ.
Снаружи сросток изолируется термоусаживающей муфтой
с предварительной обмоткой пластмассовыми лентами.

11.6.	ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ СВАРКА ОПТИЧЕСКИХ
ВОЛОКОН

Сварка является наиболее распространенным методом со-
единения волокон как в процессе производства, так и ис-
пользования оптических кабелей. Сварка заключается в мест-
ном нагреве границы раздела двух состыкованных и пред-
Рис. 11.11. Сварочный агрегат:
1—-корпус; 2—кронштейн; 3—микро-
скоп; 4—зеркало; 5—светильник;
6—зажимы волокон; 7—сращиваемые
волокна

варительно отцентрированных торцов волокон, в результате
которого волокна сплавляются друг с другом. В качестве источника
энергии используется электрическая дуга, возникающая между
двумя электродами, газовое пламя, лазер. Наибольшее распростра-
нение получила электрическая дуга, поскольку она позволяет
довольно просто регулировать нагрев и работать в полевых
условиях. Общий вид сварочного агрегата представлен на
рис. 11.11. Установка для сварки предусматривает следующие
операции: скругление торцов волокон (предварительное оплавле-
ние) маломощной дугой до сплавления, что необходимо во
избежание образования пузырьков: регулируемое встречное
перемещение волокон в процессе сплавления для предотвращения
горловины в месте сращивания; автоматизацию предварительного
оплавления и перемещения волокна во время сплавления;
оптическое наблюдение для упрощения предварительной центровки
волокон; изготовления защитного покрытия после сплавления
волокон. Средние потери на сварном стыке составляют 0,1—0,3 дБ,
прочность на разрыв стыка не менее 70% прочности волокна.

Сварочное устройство состоит из двух узлов: блока сварки
и генератора. Блок сварки выполняет следующие функции:
фиксацию волокон, их юстировку и сварку. Блок сварки
(рис. 11.11) состоит из следующих основных узлов: корпуса
7, закрепленного на нем кронштейна 2, микроскопа 3, зеркала
4 и светильника 5, необходимых для юстировки соосности
ОВ в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, зажимов:
6—подвижного, имеющего возможность перемещения в трех
взаимно перпендикулярных плоскостях, и неподвижного зажима
для фиксации ОВ 7. Для ограждения места сварки и обеспечения
2

Рис. 11.12. Расположение

волокон (7) и электродов (2)

безопасности работы на этом устройстве имеется кожух.
Габаритные размеры блока сварки 200 х 150 х 115 мм.

На рис. 11.12 показано расположение волокон и электродов
на сварочной плате. Генератор включает блок формирования
электрического разряда с органами управления и блок элек-
тродов, соединенных между собой кабелем длиной 250 мм.
Генератор питается постоянным током напряжением 12 В. Ток
разряда 10—30 мА, время разряда в автоматическом режиме
1—15 с (дискретно через 1 с). Потребляемая мощность не
более 135 Вт. Масса всего устройства 9,9 кг, с футляром 15,2 кг.

Рис. 11.13. Технологический процесс электродуговой сварки
3

Рис. 11.14. Электросварочный агрегат:

1—волокна; 2—держатель волокон; 3—микроскоп; 4—освещение

Технология сварки ОВ имеет следующие операции
(рис. 11.13): установка волокон, включение электрической дуги
с температурой 1200° С на 15—30 с, сближение волокон
и оплавление торцов 20 с, мгновенная сварка при температуре
1800° С (время 2—3 с), естественное охлаждение 60 с.

Известны также переносные сварочные приборы для работы
на трассе в полевых условиях, состоящие из одной упаковки
(рис. 11.14). Основные данные прибора следующие: электроды
йз вольфрама, микроскоп с увеличением 98, ток разряда
10—27 мА, регулировка времени сварки 0,5—15 с, потребля-
емая мощность до 50 Вт, напряжение питания 24 В, габаритные
размеры 170 x300 x450 мм, масса 10 кг. Потери на сростке
составляют 0,2 дБ. Прочность места сварки мало отличается
от прочности целого волокна.

11.7.	СВАРКА ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН КОМПЛЕКТОМ
КСС-Ш

В настоящее время широкое применение при строительстве
^волоконно-оптических линий связи получил комплект для сварки
марки КСС-Ш (рис. 11.15) , который состоит из устройства для
сварки ОВ, устройства РО-1 для резки ободочек ОВ, инструмен-
та СО-2 для снятия защитных оболочек ОВ, инструмента ИР-1
для скола ОВ и других вспомогательных устройств.

Подготовку ОК к сварке начинают со снятия наружных
оболочек с помощью устройства РО-1, которым делают попереч-
ный, продольный и при необходимости спиральный надрезы.

олсл
5

Рис 11.15. Комплект для сварки КСС-111:

1—блок юстировки; 2—блок управления; 3—устройство для защиты места сварки;
4- микроскоп; 5—коробка; 6—инструмент для резки ОВ типа ИР-1; 7—устройство
для резки оболочки ОВ (РО-1); 8—инструмент для снятия защитио-упрочняющей
оболочки волокна СО-2; 9—зажим; 10—ключ, ролики в пакете; 11—нож, резец в пакете;
12 отвертка; 13—катушка с леской капроновой; 14—насос; 15—ножницы, пинцет,
ключ; 16—элементы для защиты места сварки

С этой целью укладывают кабель необходимой длины в канавку
ролика и обеспечивают врезание ножа в оболочку кабеля на
определенную глубину. Потом, вращая устройство вокруг оси
кабеля, производят поперечный надрез оболочки.

Затем инструментом СО-2 снимают защитные оболочки—
сначала специальными боковыми ножами удаляют модульную
трубку, профилированными ножами с калиброванным отвер-
стием снимают полиамидное покрытие, а затем при помощи
тонких полимерных нитей (лески), охватывающих волокно,—
слой, непосредственно примыкающий к волокну.

Скол волокна производят инструментом ИР-1 методом
управляемого разрыва: сначала наносят резцом дефект, а затем
изгибают и растягивают волокно, изогнув подложку.

Подготовленные к сварке ОВ сращивают электрической
дугой в блоке юстировки и сварки комплекта КСС-Ш,
предварительно уложив их в V-образные канавки зажимов
и зафиксировав их положение магнитными защелками.

Смонтированный на каретке микроскоп МИР-3 перемеща-
ется из одного крайнего положения в другое, что дает
возможность видеть юстируемую пару волокон последователь-
но в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с увеличением
не менее чем в 60 раз. Источник света с рассеивателем
вмонтирован в блок электродов и обеспечивает контрастное
изображение волокон в поле микроскопа.

В блоке электродов установлены два вольфрамовых эле-
ктрода с двусторонней заточкой, положение электродов ре-
гулируется. Блок электродов может перемещаться в трех
координатах, это позволяет располагать электроды в плоскости
юстируемых волокон, а также симметрично относительно
волокна.

Электронная схема блока сварки обеспечивает формирова-
ние электрического разряда, а также позволяет регулировать
следующие параметры: ток оплавления и сварки, время горения
дуги в режиме оплавления и сварки, скорость сдвига. Кроме
того, в автоматизированном режиме обеспечивается с помощью
теплового двигателя своевременный сдвиг волокон при сварке.

Источником питания комплекта КСС-Ш может быть акку-
мулятор или другой источник постоянного тока напряжением
12 + 2 В с током нагрузки не менее 4 А.

Комплект рассчитан на использование в палатках, под
навесом, в подземных устройствах кабельной канализации при
температуре окружающего воздуха от —10 до +40° С, от-
носительной влажности, не превышающей 98% при температуре
окружающего воздуха +20° С.

При соответствующем навыке оператора и соблюдении
правил эксплуатации комплект КСС-Ш обеспечивает сращива-
ние градиентных ОВ с потерями не более 0,2 дБ.

Для последующей заделки места сварки ОВ применяют
комплект деталей для защиты места сварки (КДЗС). Комплект
защиты места сварки ОВ включает также нагревательный
элемент и специальное приспособление с захватами для
волокон. Этот комплект перед сваркой предварительно надева-
ют на левое ОВ, а после сварки волокон смещают в зону сварки
и переносят в зону нагревательного элемента для термоусадки.

11.8.	ОСОБЕННОСТИ СРАЩИВАНИЯ ОДНОМОДОВЫХ
ВОЛОКОН

Конструктивная особенность одномодовых волокон — очень
малый размер сердцевины (порядка 8—10 мкм вместо 50 мкм
у многомодовых), поэтому необходимо очень точно юстировать
сращиваемые волокна и прежде всего по диаметру сердцевины.


’/////////////////77,

Может оказаться, что при
одинаковых наружных диамет-
рах соединяемых волокон
сердцевины их не будут со-
впадать (рис. 11.16).

Сварочное

устройство

Рис. 11.16. Радиальное смещение серд-
цевин волокон (7) при равенстве диа-
метров их оболочек (2)

должно обеспечивать доста-
точную прочность стыка, ма-
лые вносимые потери, надеж-
ность и воспроизводимость
результатов, простоту обраще-
ния в полевых -условиях, быть

безопасным и надежным в работе в различных атмосферных
климатических условиях. Эти требования могут быть обес-
печены цри электросварке с максимальной автоматизацией
работ и тщательном контроле за процессом сварки в целях
уменьшения деформации сердцевины волокна.

Описываемое ниже сварочное устройство (рис. 11.17) от-
вечает указанным требованиям. Устройство включает свароч-
ный агрегат, юстировочные приспособления и контрольные
приборы.» Возможны два режима работы — автоматизирован-
ный процесс юстировки и сварки (рис. 11.18); ручная юстировка
с пьезоэлектронным манипулятором. Весь процесс автомати-
зированного сращивания волокон занимает всего лишь 1 мин.
К микроскопу можно подключить телевизионную камеру
и наблюдать на экране за ходом сварки.

Осевая юстировка волокон и обеспечение совпадения серд-
цевин сращиваемых волокон производятся по максимуму

Рис. 11.17. Сварочное устройство для одномодовых волокон
Рис. 11.18. Принципиальная схема сварки одномодовых волокон:

1—источник оптического сигнала; 2, 5—оправка; 3—ОВ; 4—электрод; 6—фотодиод;
7—усилитель; 8—вход в аналоговую систему общего назначения

принимаемого сигнала. Для этого торцы стыкуемых волокон
перемещаются вручную или под контролем микропроцессора.

Известны три метода осевой юстировки:

1)	первый метод (рис. 11.19, а) предполагает расположение
оптического передатчика Пер и приемника Пр на дальних
концах стыкуемых волокон. Информация от приемника переда-
ется по каналу обратной связи к стыковочному устройству;

2)	второй метод (рис. 11.19, б) предполагает расположение
источника излучения на дальнем конце одного из стыкуемых
ОВ, а оптического детектора—в непосредственной близости

Ввод излучения

В)

Вывод излучения

Рис. 11.19. Методы осевой юстировки волокон
от стыка. Оптический сигнал снимается с волокна, изогнутого
в виде петли малого радиуса, на коротком расстоянии (0,5 м)
от точки стыка;

3)	третий метод (рис. 11.19, в) предполагает проведение
операций лишь с участками ОВ, непосредственно примыка-
ющими к стыкуемым торцам. Эти операции заключаются
в введении излучения в сердцевину первого волокна и детек-
тирования сигнала в сердцевине второго волокна посредством
изгиба обоих волокон.

Обработка торцов одномодовых волокон является более
сложной задачей, чем обработка многомодовых. Как и у мно-
гомодовых ОВ, сначала удаляются покрытия. Однако очень
важно гарантировать тщательную очистку перед скалыванием
и последующей сваркой. На практике, чтобы обеспечить
отсутствие деформации при сварке и связанные с этим
дополнительные потери, необходимо выдерживать отклонение
от перпендикуляра в пределах 0,5°.

Качество сварки характеризуется следующими данными.
Среднее значение дополнительных потерь в одномодовом
волокне при хорошем качестве сварки а = 0,1 дБ (по некоторым
данным 0,07 дБ). При сварке в автоматизированном режиме
удается получить затухание стыка не выше 0,04 дБ у 88%
стыкуемых волокон. В полевых условиях соединяются участки
ОВ с несколько различными параметрами, при этом средние
потери составляют 0,11—0,15 дБ.

Как и у многомодовых ОВ, у одномодовых ОВ долго-
временная температурная стабильность хорошо сделанных
соединений весьма высока. Например, приращение потерь
в соединении из-за старения и изменений температуры со-
ставляет менее 0,01 дБ. В остальном защита сростка от влаги
и механических повреждений и в целом монтаж кабеля
осуществляются обычным способом, как и у многомодовых
ОК. Для монтажа ОК с одномодовыми волокнами применяется
сварочный комплект КСС-121.

11.9.	ТЕХНОЛОГИЯ МОНТАЖА ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ.

Процесс монтажа ОК в целом состоит из следующих
операций. С обоих концов сращиваемого кабеля создается запас
(несколько метров кабеля, сматываемого в виде бухты диамет-
ром не менее 60 см). Концы сращиваемых кабелей располагают-
ся внахлест в пролете между двумя консолями. Затем надвигают-
ся полиэтиленовые конусы, цилиндры, термоусаживаемые труб-
ки и разделываются концы кабелей (рис. 11.20). С концов кабеля
снимается защитная оболочка длиной около 0,8 м. Упрочня-
ющие силовые элементы соединяются и прочно обжимаются
с помощью металлической трубки или скруткой (рис. 11.21).
3

Рис. 11.20. Подготовка к сращиванию:

1—сращиваемые кабели; 2—отрезки термоусаживаемых трубок; 3—полиэтиленовые
цилиндры; 4—полиэтиленовые конусы с опорными стальными кольцами; 5—приварка
конусов к оболочке методом наплавления полиэтиленовой ленты под стеклолентой;

6—нижняя половина металлического желобка; 7—кабельные консоли

Рис. 11.21. Соединения силовых элементов:

1—центральный силовой элемент в поливинилхлоридной оболочке; 2—оголенные пряди
силового элемента; 3—металлическая обжимная втулка; 4—обжимаемые шейки втулки;

5—концы, закрепляемые двойным узлом

Оптические волокна выкладываются с запасом. В четырех-
волоконном кабеле пластмассовые стержни обрезаются у края
концов. Далее удаляются защитные покрытия волокон с по-
мощью обжига или механическим, химическим методами
и подготовляются торцы волокна к сварке. С помощью
сварочного аппарата осуществляется юстировка, обжим и свар-
ка ОВ (см. выше). Сростки волокон изолируются с помощью
термоусаживаемых гильз с герметизирующим заполнителем
и располагаются в соединительной муфте. Затем восстанав-
ливается наружная оболочка кабеля.

Размещение сростков в соединительной муфте городских
и междугородних кабелей различно. В кабелях ГТС, прокла-
дываемых в канализации и не имеющих механических элемен-
тов, сростки располагаются в металлическом каркасе (рис.
11.22) и закрепляются общей вязкой к центральному силовому
элементу. Возможно применение также пластмассовых кассет.
Наружная полиэтиленовая оболочка восстанавливается с по-
мощью термоусаживаемой муфты. Принцип действия термо-
усаживаемой муфты показан на рис. 11.23. При температурном
воздействии концы муфты сжимаются и плотно (герметично)
обжимают оболочку кабеля.
Рис. 11.22. Монтаж кабеля ГТС:

1—волокно; 2—сросток; 3- -металлический каркас; 4—полиэтиленовая оболочка

Рис. 11.23. Термоусаживаемая муфта:
а—в исходном положении; б—после термообработки; 1—кабель; 2—муфта

Междугородние кабели магистральной и зоновой связи
прокладываются непосредственно в грунт; они испытывают
воздействие влаги, механических усилий и других факторов.
В этом случае кабель, как правило, имеет усиленные метал-
лические покровы и сросток должен иметь надежную защиту
от механических и атмосферно-климатических воздействий.

Отличием муфты междугородних кабелей является раз-
мещение сращиваемых волокон на специальных кассетах,
применение устройств для закрепления армирующих броне-
проволок, а также двух полиэтиленовых муфт (внутренней
и внешней). Волокна располагаются на пластмассовых кассетах
с фиксаторами (рис. 11.24). Кассета рассчитана на четыре
сростка. Запас волокон в кассете должен составлять 0,8—1 м
с каждой стороны кабеля. Внизу кассеты располагаются
металлические элементы кабеля и силовые стержни.

Кассета размещается во внутренней полиэтиленовой муфте.
Снаружи располагается внешняя защитная полиэтиленовая
муфта, и зазор между ними заливается гидрофобным запол-
240
7

2

Рис. 11.24. Выкладка оптического волокна (У) в кассете (2)

2

Рис. 11.25. Установка внешней полиэтиленовой муфты:
1—внутренняя муфта; 2—внешняя муфта

нителем (рис. 11.25). Все стыки, места соединений муфт,
конусов герметизируются с помощью термоусаживаемых тру-
бок. Готовая муфта выкладывается и закрепляется на консолях.
Общий вид муфты показан на рис. 11.26.

В процессе монтажа осуществляются оперативные и кон-
трольные измерения. Основными измерительными приборами
служат оптические тестеры и рефлектометры, которыми кон-
тролируется затухание световодного потока в сростке соединя-
емых волокон.

Рис. 11.26. Общий вид соединительной муфты:

I—кабель; 2—металлические, силовые элементы; 3—кассета (пластмасса); 4—волокно;
5—сросток волокон; 6—соединение силовых элементов; 7—внутренняя муфта; 8—
внешняя муфта; 9—гидрофобное заполнение
11.10.	МОНТАЖНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ АВТОМАШИНЫ

Монтаж и измерения обычных электрических кабелей с мед-
ными проводами производятся непосредственно в котловане
(междугородние кабели) или в колодце (городские кабели).
Для ОК эти условия неприемлемы. Для них необходимо
обеспечить постоянство температуры окружающего воздуха
(не ниже —10° С), относительную влажность не более 80%,
чистоту рабочего места, отсутствие сквозняков. Кроме того,
необходимо иметь специально оборудованное рабочее место
(для двух монтажников), позволяющее последовательно произ-
водить два вида работ: сварку ОВ и монтаж полиэтиленовых
деталей муфты, а также место для измерительной техники
и соответствующих специалистов.

Для *обеспечения высокого качества монтажа, а также
работоспособности дорогостоящих приборов применяется спе-
циальная монтажно-измерительная лаборатория на базе ав-
томашины с кузовом закрытого типа. Применяются авто-
машины ЗИЛ-131 или УАЗ-452. На рис. 11.27 показана
лаборатория на базе автомашины ЗИЛ-131.

В такой машине в задней части кузова установлен мон-
тажный стол, оборудованный приспособлениями для закреп-
ления концов монтируемого кабеля и размещения монтажных

Рис. 11.27. Монтажно-измерительная автомашина
материалов. Здесь же предусмотрены места для сварочных
устройств и ящики с монтажными деталями, материалами
и инструментами. В передней части кузова размещается шкаф
для хранения и транспортировки измерительных приборов
и верстак для выполнения сопутствующих работ. Для сидения
монтажников и измерителей предусмотрены вращающиеся
стулья, имеющие регулировку по высоте. Освещение в салоне
естественное (через окна) и искусственное электрическое.

Питание всех электропотребителей осуществляется от бор-
товой сети 12 В и портативной бензоэлектростанции АБ-1.
Для служебной связи между лабораториями в процессе монтажа
и измерений применяется радиостанция типа «Лен», выдвижная
мачта антенны которой закреплена снаружи кузова. Отопление
в салоне в холодное время года осуществляется бензоотопи-
телем типа ОВ-ЗО, расположенным в передней части кузова.
Машина оснащается бачком с питьевой водой, рукомойником,
газовой плиткой, аптечкой и другими предметами первой
необходимости.

Монтажно-измерительная машина устанавливается у кот-
лована или колодца и в нее подаются концы сращиваемых
кабелей. Дляг этого должен иметься запас кабелей длиной
8—10 м с каждой стороны.

ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ

НАДЕЖНОСТЬ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН И КАБЕЛЕЙ

Надежность—это свойство объекта выполнять заданные
функции, сохраняя во времени значения установленных эксп-
луатационных показателей в заданных пределах. В качестве
показателей надежности изделий устанавливают: минимальную
наработку THmin; гамма-процентный ресурс Тр; минимальный
срок службы Tcnmin; минимальный срок сохраняемости Txpmi„.

В качестве показателей надежности могут быть исполь-
зованы такие параметры, как время, циклы (перемоток,
перегибов и пр.), импульсы (напряжения, света и т. д.).

Объем выборки ОВ (А'о.в—количество образцов) устанав-
ливают равным 24—для испытаний изделий на сохраняемость
методом длительного хранения, 23—для испытаний изделий
на сохраняемость в форсированных режимах и на долговеч-
ность, 10 — для испытаний изделий на безотказность.

Количество образцов ОК обычно выбирают NOK = NOB/nOB
(где по в—число ОВ в ОК), округляя полученный результат
в большую сторону до ближайшего целого числа.

В качестве параметров—критериев годности ОВ и ОК —
выбирают коэффициент затухания, электрическую прочность
(при наличии в кабеле токопроводящих элементов) и целост-
ность элементов конструкции ОК.

Надежность ОК определяется двумя основными парамет-
рами: надежностью ОВ и надежностью прочих элементов,
входящих в конструкцию ОК. Надежность ОВ зависит от
целого ряда причин. Механическая надежность характеризует
вероятность того, что в заданный промежуток времени не
произойдет разрушения световода. Разрушение световода может
произойти из-за наличия остаточных термоупругих напряжений,
растягивающих усилий, дефектов на поверхности или внутри
световода, коррозионных процессов на поверхности. Остаточ-
ные термоупругие напряжения возникают при изготовлении
световода и вносят вклад в процесс его разрушения.

Световоды состоят из слоев в разной степени легированного
и чистбго кварца, и при охлаждении в них возникают
термоупругие напряжения: их внутренние слои, как правило
растянуты, а наружный слой сжат [78].

При наличии внешней растягивающей силы сердцевина
испытывает повышенную растягивающую нагрузку (сумма
остаточного термоупругого и внешнего растяжений), а рас-
тяжение 'оболочки под воздействием внешней силы уменьшается
из-за остаточного термоупругого сжатия. В многослойных
световодах процесс разрушения сердцевины ускоряется, а кор-
розионный процесс разрушения поверхности волокна замедля-
ется благодаря остаточным термоупругим напряжениям. На-
личие внутренних напряжений может привести к разрушению
световода даже в отсутствие внешнего растяжения.

Значение остаточных термоупругих напряжений составляет
около 8,84 МПа. Например [78], растягивающие нагрузки на
ОВ от внешних факторов составляют при изготовлении ОК
около 34,4 МПа; при прокладке ОК—около 49 МПа; при
изменении температуры в рабочем интервале—около 27,5 МПа.

Для предотвращения разрушения из-за термоупругих на-
пряжений стекло подвергают предварительному отжигу и вакуу-
мированию. Уменьшение остаточных термоупругих напряжений
также достигается сближением ТКЛР и температур стеклования
слоев в световоде.

При растяжении стекло упруго удлиняется до определенного
предела, а затем происходит его разрушение. Деформация
кварцевого ОВ обычно не превышает 1% (рис. 12.1). Те-
оретическое значение прочности стекла определяется прочно-
стью связей компонентов, из которых оно состоит. Раз-
рушающая деформация зависит от числа связей, приходящихся
на 1 см материала, и их средней прочности.

Оптические волокна неоднородны из-за наличия неоднород-
ностей в составе стекла и различных дефектов материала в виде
микротрещин, посторонних включений, структурных дефектов
Рис. 12.1. Зависимость растягивающего напряжения стр от относительной
деформации е:

1—стальная проволока; 2—углеродное волокно; 3—кварцевый световод; 4—высокопроч-
ная синтетическая нить (типа кевлар)

Рис. 12.2. Форма гипотетичес-
кой микротрещины Гриффита:
1—световод; 2—трещина

и т. д. Под воздействием механической нагрузки (например,
растяжения) эти дефекты, являющиеся механическими концент-
раторами напряжений, приводят к разрушению ОВ. Исследова-
ния поверхности в месте разрушения волокна показывают, что
оно может начинаться как снаружи (с поверхности), так
и изнутри. Для обоих случаев прочность ОВ определяется
степенью концентрации напряжений Р = сд/с0, где сд—напря-
жение в окрестности дефекта, а с0—среднее значение напряже-
ния, действующего вдали от дефекта.

Процесс разрушения изнутри определяется термофлуктуацион-
ным механизмом. При этом разрыв механических связей между
молекулами в вершине трещины происходит под воздействием
тепловых флуктуаций и напряжения растяжения. Скорость
процесса разрушения обычно незначительна, так как наиболее
крупные дефекты обычно находятся на поверхности световода.

Разрушение световода с поверхности в основном происходит
из-за наличия микротрещин. В соответствии с гипотезой
Гриффита о развитии микротрещин, если к образцу приложена
однородная растягивающая сила, то она концентрируется
вокруг вершины трещины, и материал у трещины начинает
разрушаться значительно раньше, чем приложенная сила станет
равной прочности связей в материале. Была предложена для
исследования модель полукруглой краевой трещины (рис. 12.2)
и показано, что концентрация напряжения у вершины зависит
от глубины и ширины трещины:
(12.1)

где К1кр—постоянная материала, для кварцевого стекла
7£1кр = 0,789 МН/м3/2; Е—модуль Юнга стекла; у—поверх-
ностная энергия (обычно 1 Дж/м2); 1Т—глубина микротре-
щины; Y—геометрический фактор (для полукруглой краевой
трещины, расположенной на поверхности кварцевого волокна
перпендикулярно его оси, У = 1,24= 1,77).

Приведенные выше формулы характеризуют кратковремен-
ную прочность стекла, хрупкого материала, у которого пла-
стические деформации слабо проявляются перед моментом
разрушения.

Однако ОВ при эксплуатации в большей своей части
испытывают статические нагрузки. Возникающая при этом
статическая усталость также может служить причиной разруше-
ния световода. При этом надо учитывать, что заметная
деградация прочности световода происходит только при одно-
временном воздействии двух факторов: растягивающего напря- '
жения и воды. После воздействия на ОВ в ненапряженном
состоянии воды в течение 90 дней и последующей сушки при
температуре 100° С прочность волокна составляет 98% исход-
ной. Аналогичные исследования проведены во ВНИИ кабельной
промышленности. Это указывает на то, что при воздействии
воды на ненагруженное волокно рост дефектов не происходит.
Поскольку влага внутрь световода не проникает, то долговре-
менная прочность будет определяться для существующих
конструкций световодов ростом поверхностных дефектов.

Для повышения механической прочности световодов можно
применить следующее:

1)	отбраковку—исключение из готовой продукции загото-
вок и световодов, которые имеют крупные дефекты и поэтому
не могут обеспечить требуемый Тсл;

2)	создание технологического процесса, исключающего или
уменьшающего вероятность возникновения дефектов в све-
товоде;

3)	создание конструкций световода, обеспечивающего требу-
емый Тсп.

Отбраковка может быть связана с разрушающими или
неразрушающими методами контроля. При выборе опорных
кварцевых труб и заготовок требуемого качества в основном
используют неразрушающие методы контроля. Для опорных
кварцевых труб это визуальный контроль количества и раз-
меров пузырей, включений и других дефектов, контроль
геометрических размеров. В заготовках определяют профиль
показателя преломления и геометрические параметры. Реже
проводят испытания механической прочности заготовок.
Для световодов неразрушающий контроль проводится в два
этапа: оценка размера крупных дефектов и нахождение мест их
расположения (в процессе вытяжки); сортировка готовых изделий
по обнаруженным максимальным дефектам.

При серийном производстве в основном используют раз-
рушающие методы контроля с помощью коротких образцов
или 100%-ную проверку строительных длин.

Исследование небольших по длине световодов дает информа-
цию о малых микротрещинах, концентрация которых велика. Эти
трещины не являются причиной разрушения образцов большой
длины, и поэтому полученная информация о поведении коротких
длин не может быть использована при рассмотрении длинных.

Исследования коротких образцов (0,5—2 м) с помощью
разрывной машины позволяет оценить влияние на прочность
световодов технологии, конструкции, а также воздействия
внешней среды.

Нарушение целостности световода при изготовлении и эк-
сплуатации кабеля происходит из-за самого крупного дефекта
на его длине. Поэтому необходимо испытать на разрыв всю
длину световода. На практике проводят перемотку световодов
с одной катушки на другую под небольшим натяжением (не
более 5 Н), действующим на ограниченном участке световода
в течение 1—2 с.

Увеличение прочности ОВ возможно путем разработки
оптимального технологического процесса, например, выбора
режима огневой полировки и травления исходных заготовок,
использования для вытяжки стерильного источника нагрева
(лазеров, печи с чистой атмосферой); исключающего попадание
на поверхность световода Mo, Са, Fe, Ti и пр. Нанесение
в процессе вытяжки защитного покрытия соответствующей
толщины позволяют повысить прочность ОВ из синтетического
особо чистого кварцевого стекла до 5—6 ГПа. На прочность
световода влияет чистота помещения, влажность воздуха и т. д.
При выдержке световода в ненапряженном состоянии во
влажной среде характер влияния влаги на механическую
прочность волокон изменяется. При этом возможно даже
упрочнение волокон благодаря сглаживанию вершин трещин
в результате водной коррозии.

Рациональный выбор конструкции ОВ позволяет управлять
скоростями коррозионного и термофлуктуационного процессов
разрушения. Например, создание остаточного термоупругого
сжатия даже при наличии крупных дефектов позволит обес-
печить достаточно большой Тсл. Этого можно достичь путем
подбора стекол с нужными характеристиками для сердцевины
и оптической оболочки.

На постоянство коэффициента затухания во времени зна-
чительное влияние оказывает водород, проникающий внутрь
кварцевого световода. Один из механизмов этого явления
состоит в следующем. Под воздействием воды в кабеле
происходит электрохимическая коррозия металлических элемен-
тов, в результате которой образуется повышенная концентрация
водорода. Водород в кабеле и в ОВ может образовываться из-за
деструкции полимерных оболочек ОВ и ОК. При этом
количество образовавшегося водорода в единицу времени
значительно меньше, чем при протекании электрохимических
реакций внутри кабеля. Водород вступает в химическое взаимо-
действие с дефектами структуры стекла, образуя группы Si—ОН,
Ge—ОН и Р—ОН, что ведет к постепенному необратимому
возрастанию затухания в некоторых областях длин волн.

Для кварцевых стекол, имеющих добавку Р2О5 в количестве
3% (мол.), наблюдается особо сильное возрастание потерь
на длин© волны 1,54 мкм из-за возникновения связи Р—ОН.
Кварцевое волокно с содержанием легирующей добавки Р2О5
в количестве 0,2% и кварцевое стекло, легированное германием,
показали хорошую стойкость к воздействию Н2.

При оценке надежности элементов, входящих в состав ОК,
используют методы, основанные на определении изменения
химической или физической структуры, прочности, диэлект-
рических или других свойств полимерных материалов, из
которых эти элементы выполнены. Известно, что в основе
процесса старения полимеров, как правило, лежит одна элемен-
тарная химическая реакция, зависимость скорости которой от
температуры описывается уравнением Аррениуса, а зависимость
скорости от механических напряжений—уравнением Журкова.

Для прогнозирования физико-механических свойств матери-
алов в условиях длительного хранения или эксплуатации
полимеры обычно подвергают воздействию различных тем-
ператур. По полученным данным рассчитывают постоянные
скорости процесса, а затем показатели материала при раз-
личных температурах и времени. По другому способу свойства
полимеров в процессе старения при постоянной температуре
оценивают путем экстраполяции данных кратковременных
испытаний на более длительное время.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Пример расчета одномодового ОК связи

Исходные данные: сердцевина 2о=10 мкм; оболочка 26 = 125 мкм;
показатели преломления: И! = 1,51; и2 = 1,5; длина волны Х=1,55 мкм; длина
волны /=30 км; ширина спектральной линии лазера 2 нм.

Расчет осуществляется следующим образом:

1)	относительное значение показателей преломления:
п<—пг 1,51 — 1,5

Л=—------=-------- «0,007;

пх 1,51

2)	числовая апертура

NA=Jni-ni=71,512-l,52 = 0,263;

3)	нормированная частота

2лд ------= 2-3,14-5-10 —

= “1,55-10- “

71,512-1,52 = 0,5;

4)	критическая частота (для одномодовой передачи коэффициент /’„„=2,40)

Р„стс	2,405-3-108

nd y/nl-nl 3,14 -10-10 — 71,512-1,52

Гц;

5)	критическая длина волны

, nd	= 3,14 10 10 —

Л0 =------v/nf—«2=---------------

2,405-1,51

2—1,5 2 = 2,27 мкм;

6)	потери энергии на поглощение

TtTMgS , 3,14-1,51-2-1O-10

ап=—17-8,69• 103=--------:-----г---8,69• 103=0,53 дБ/км;

X	1,55 -10 —

7)	потери на расссеяние

ар=Хр/Х4= 1,3/1,554 = 0,224 дБ/км;

8)	общие потери

а=ап + ар = 0,53 +0,224= 0,754 дБ/км;

9)	потери в инфракрасном диапазоне (при Х=2 мкм)
«™=Спке-'3=0,9е-(0’8-,0‘6)/(2-|0'6)=0,6 дБ/км;

10)	волноводная дисперсия (см. рис. 2.28)

твв=АХ/В(Х) = 2 -30 • 3 • 10 “12 = 180 пс/(км нм);

11)	материальная дисперсия (рис. 2.28)

тмат = АХ/Л/(Х) = 2 - 30( —20  10-12)= —1200 пс/(км нм);

12)	результирующая дисперсия

трез = твв+тмат = 180-1200= -1020 пс/(км - нм);

13)	пропускная способность

AF= 1/т= 1/1020-10-12=980 МГц;

14)	границы изменения фазовой скорости:

с/и1 = 3-105/1,51 = 198000 км/с;

с/и2 = 3-105/1,5 = 200000 км/с;

15)	границы изменения волнового сопротивления:

Z0/n1 = 376,7/1,51 =249,47 Ом;

Z0/n2 = 376,7/1,5=251,13 Ом.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИМЕР РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ МНОГОМОДОВОГО ОК СВЯЗИ

Исходные данные: сердечник 2а=50 мкм; оболочка 2£= 125 мкм; показатель
преломления «1 = 1,53; п2 = 1,5; длина волны Х=1,3 мкм; длина линии 10 км.

Расчет делают в следующем порядке:

1)	относительное значение

1,53-1,5

1,53

як 0,02;

2)	числовая апертура

NA = y/nl-nl=71,532-1,52=0,3;

3)

нормированная частота
я

2па ? 2-3,14-25  10-6

V =- V«l~«2=-------------я---

X v	1,3-10“6

71.532-1,52 = 36;



4) число волн (мод)

7V=v2/2=362/2=648;

4) критическая длина волны (P„m = 3,832)

Р^с	3,83-З Ю8

nd y/n2i-nl 3,14  50 • 10 “6 Jl,532-l,52

Гц;

6)	критическая длина волны

„ nd ------------= 3,14-50-10 “6

Хо =-----^Jn\ — п2 —-------------

Р„тп1 ''	3,832 1,53

2 —1,52 = 8 мкм;

7)	потери энергии на поглощение

TtHttgS , 3,14-1,53-0,5-10-10
ап=—=-=—8,69• 103=—---------------------8,69 103= 1,6 ,

X	1,3-10“6

8)	потери на рассеяние

ар=Хр/Х4= 1,5/1,34=0,52 дБ/км;

9)	общие потери
а=ап+ар= 1,5+0,52=2,02 дБ/км;

10)	потери в ИК-диапазоне (при Х=2 мкм)

«„к = Спке ~к11 = 0,Зе "(0,5'10 ’6)/(2'10 ~6) = 0,234 дБ/км;

11)	дисперсия ступенчатого световода (/=10 км)

щД/ 1,53-0,02 10

т=-----=-----—	---= 1020 нс/(км • нм);

12)	полоса пропускания

Др= 1/т= 109/1020as 1 МГц;
13)	дисперсия градиентного световода (/=10 км)

HjA2/ 1,53 (0,02)2 10

т=------=--------------=10,2 нс/(кмнм);

2с 2-3-105

14)	полоса пропускания

AF= 1/т= 1/10,2-10	100 МГц;

15)	граница изменения фазовой скорости

с/И1 = 3-105/1,53= 196000 км/с;

с/н2 = 3  1071,5 = 200000 км/с;

16)	граница изменения волнового сопротивления

Z0/m =376,7/1,53 = 246,2 Ом;

Zo/«2 = 376,7/1,5=251,13 Ом.

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ ЗА РУБЕЖОМ

Связь по ОК, приобретающая в настоящее время все большие актуальность
и эффективность, является одним из главных направлений научно-технической
революции.

Некоторые страны уже сейчас отказываются от традиционных металличес-
ких кабелей и все новое строительство переводят на ОК. Развитие идет
в направлении применения одномодовых волокон, обеспечивающих высокую
пропускную способность и большую дальность передачи.

В США за 10 лет с 1976 г. изготовлено 1 млн. км ОВ, а в последние годы
(1987, 1988, 1989) изготовляется по 1,6 млн. км, в том числе 80% одномодовых.
Определено, что к 1989 г. пропускная способность сети электросвязи увеличится
в 6 раз.

Предполагается, что объем продажи в США ОК и оптоэлектронной
техники в 1995 г. составит более 1 млрд, долларов против 120 млн. долларов
в 1985 г.

В США наряду с ОК повивной концентрической скрутки применяется
кабель плоской конструкции. Оптический кабель комплектуется из стандартных
плоских элементов — пластмассовых лент, содержащих по 12 ОВ, ширина
ленты 3,56 мм, кабель может иметь от 4 до 12 плоских лент, содержащих
48 - 144 волокна. Двенадцатиленточный ОК позволяет получить с помощью
системы передачи ИКМ-24 свыше 3000 каналов, диаметр кабеля 12 мм.

Построена междугородная линия ОК, соединяющая города Вашингтон,
Нью-Йорк и Бостон. Стоимость этой линии связи длиной 980 км составила
79 млн. долларов. Пропускная способность линии 80 тыс. телефонных каналов,
скорость передачи 44,7 Мбит/с с развитием до 90 Мбит/с, расстояние между
регенераторами 6,4 км.
По оценкам специалистов, создание такой системы связи позволит к 1990 г.
сэкономить на эксплуатационных расходах и затратах по созданию новых
систем связи свыше 50 млн. долларов. Стоимость ОК составляет 75%
стоимости электрического кабеля.

В Атланте (США) завершено испытание оптической системы с пропускной
способностью 100000 двусторонних телефонных каналов, предназначенной для
междугородной связи протяженностью до 240 км (это типичное расстояние
между крупными городами в США). Информация передавалась со скоростью
432 Мбит/с. Длина волны Х= 1,31 мкм, затухание а=0,5 дБ/км, расстояние
между регенераторами 36 км.

В конце 1984 года компания АТТ сообщила о своих планах выделения
2 млрд, долларов на создание трансконтинентальной оптической кабельной
сети общей протяженностью 32000 км. Кабельная сеть позволит связать 120
городов США.

Заканчивается строительство пяти междугородных оптических линий протя-
женностью около 1500 км стоимостью 100 млн. долларов. Сооружена оптичес-
кая кабельная магистраль между Нью-Йорком и Сан-Франциско протяженно-
стью свыше 4000 км. Кабель содержит 37 000 км одномодовых волокон, длина
волны 1,3 и 1,55 мкм, регенерационный участок 35 км. Система передачи
рассчитана на 8000 каналов при скорости передачи 565 Мбит/с. Кабель
содержит 6—32 волокна, в центре кабеля располагается стальной сердечник.

Наибольшее применение в США (около 75%) получил одномодовый
кабель. По американским данным 75% стоимости ВОСП составляет оптический
кабель, 21% — приемопередатчики и 4%—соединители.

В Англии почти все новое строительство линий связи намечается выполнять
оптическими кабелями, и к 1990 г. они будут составлять не менее половины
междугородных линий связи.

• Кабели изготовляются как правильной повивной скрутки, так и с примене-
нием профилированного пластмассового сердечника. Широко применяется
также плоская конструкция кабеля, которая комплектуется из пластмассовых
лент с впрессованными ОВ. В ленте размещается до 12 волокон.

В Англии в 1984 г. проложены линии ОК в кабельной канализации,
проходящей вдоль железнодорожных линий Лондон — Бирмингем (190 км),
а также Лондон — Бирмингем—Манчестер (510 км). На строительство израс-
ходовано 8 млн. фунтов стерлингов. Построена линия Лондон — Эдинбург.
Предусматривается организация цифровой сети со скоростью 64 кбит/с при
передаче ОВ сигналов со скоростью 140 Мбит/с. Общие капиталовложения
в новую сеть, рассчитанные на 25 лет, составят 1 млрд, фунтов стерлингов.
Сеть будет обслуживать Лондон, Бристоль, Бирмингем, Ливерпуль, Лидс,
Манчестер.

Развитие производства оптических кабелей в Англии характеризуется
следующими данными: в 1979—1980 гг. в национальной телефонной сети
проложено 3600 км оптического кабеля (в одномодовом исчислении), в 1981 —
1983 гг.—6400 км (из них 400 км междугородных линий), а в середине 1985 г.
общая протяженность оптических кабелей достигла 25 000 км.

Представляют интерес работы английских специалистов по созданию
интегральной оптической сети многоцелевого назначения (телефония, передача
данных, видеосвязь и др.)- Она представляет собой кольцевую структуру,
передача в которой осуществляется со скоростью 100 Мбит/с на длине волны
1,3 мкм. В кольцо можно включить до 500 станций с расстоянием между ними
в 2 км. Длина оптического кабеля 100. км. Система предназначена для местной
связи. Она позволяет осуществлять коммутацию каналов и коммутацию пакетов.

Завершено строительство комплекса соединительных линий для связи
Лондона с пригородом:

три линии длиной 47,61 и 74 км. Скорость передачи—140 Мбит/с, система
ИКМ-1920;

десять линий от 4 до 39 км. Скорость передачи — 8 Мбит/с (система
ИКМ-120). Общая протяженность 480 км.

Япония. Характерной особенностью японских оптических кабелей является
применение градиентного волокна типа «селфок» с весьма малым затуханием.
Удалось получить на волне 1,32 мкм затухание до 0,5 дБ/км, что позволило
расположить регенераторы через 50 км. Строительные длины оптического
кабеля — 2,4 км.

В Японии получили развитие оптические кабели правильной повивной
скрутки с металлическими оболочками: 18 оптических волокон располагаются
в два повива вокруг медного силового элемента, затем оболочки из
полиэтилена и свинцовая оболочка, наружный диаметр кабеля 8 мм.

Завершено строительство оптической кабельной линии, проходящей через
всю Японию от Асахигава на о. Хоккайдо до Кагосима на о. Кеею
протяженностью 3400 км. Длина используемых волокон превышает 300000 км.

В Японии большое влияние уделяется разработке широкополосных мно-
гофункциональных абонентских сетей на основе оптических кабелей. Были
созданы системы многофункционального обслуживания абонентов в городах
Хигасаки и Икома. Абонентам предоставляются следующие услуги: ретран-
сляция программы коммерческого ТВ, передача программ местных ТВ-студий,
образовательных программ, видеотелефон, передача данных, видеотекст и др.

В Японии в 1986 г. создана экспериментальная линия длиной 300 км по
одномодовому волокну со скоростью передачи 34 Мбит/с на 480 каналов.
Длина волны 1,55 мкм. В системе используется лазер с распределенной
обратной связью.

Прогресс развития волоконной оптики в Японии характеризуется следу-
ющими данными: за пять лет (с 1982 по 1987 г.) производство градиентного
волокна возросло с 22,5 до 430 тыс. км; ступенчатого—с 16 до 35 тыс. км
и одномодового — с 3 до 120 тыс. км. Всего в Японии сооружено 12000 км
оптических линий связи.

Объединенная Германия. В период 1981 — 1983 гг. были созданы интеграль-
ные широкополосные сети многопелевого назначения (телефон, телевидение,
передача данных, видеотекст, видеотелефон и др.) в городах Гамбург,
Нюрнберг, Штутгарт, Мюнхен и др. Оптическое волокно одномодовое
диаметром сердцевины 8 мкм, длина волны 1,3 мкм. Сети строятся по
звездообразной схеме. В ближайшие годы намечается строительство местных
интегральных сетей еще в 15 городах.

Сооружена магистральная оптическая линия между городами Гамбург—
Западный Берлин — Мюнхен. Применяются кабели как повивной скрутки, так
и с фигурным сердечником. В кабеле повивной скрутки волокна свободно
расположены внутри трубок из полиэтилена. В центре имеется армирующий
элемент. Поверх сердечника полиэтиленовая оболочка. В кабеле с фигурным
пластмассовым сердечником волокна расположены в канавках. В центре
кабеля находится силовой элемент. Сердечник с волокнами обматывается
пластмассовой лентой. Затем идут алюминий и пластмассовая оболочка.
В одном из пазов вместо волокна располагаются медные проводники для
дистанционного электропитания регенераторов оптической линии.

Известен также другой вариант оптического кабеля с медными проводниками
для дистанционного электропитания регенераторов. В этом кабеле группа из
шести волокон предназначена для оптической связи, а две четверочные группы из
медных проводников—для электропитания. Внешний диаметр кабеля—18 мм.

В 1986—1987 гг. введены в эксплуатацию междугородные линии длиной
70000 км. К 1990 году общая длина проложенных оптических линий меж-
дугороднего и местного назначения составит 800000 км (в одноволоконном
исчислении).

По оценке специалистов ФРГ, мировой рынок сбыта оптического волокна
должен к 1990 году удвоиться и составить 6 млрд, марок вместо 3 млрд,
марок в 1986 году. По планам ведомства связи ФРГ в 1990 году будет
проложено 335 тыс. км волокна, из них в местной сети 275 тыс. км и меж-
дугородней* сети 60 тыс. км. В 1986 году было проложено 70 тыс. км.

Намечается строительство Европейской магистрали оптического кабеля
между Германией и другими странами Европы протяженностью порядка
1000 км. Волокна одномодового типа.

Франция. Оптические кабели французского производства, как правило,
комплектуются из унифицированных модулей, состоящих из пластмассового
стержня диаметром 4 мкм, с геликоидальными ребрами по периметру и десяти
оптических волокон, расположенных по периферии в ребрах этого стержня.
Кабели содержат 1, 2, 4, 7 и больше модулей. Снаружи кабель имеет
алюминиевую, а затем полиэтиленовую оболочку. Системы передачи со
скоростью 34 и 140 Мбит/с рассчитаны' на 480 и 1920 каналов.

Во Франции на оптических ка.белях в 1983 году было около 100 тыс.
абонентов; в 1984—400 тыс., а в 1985 почти 1,5 млн. абонентов. Согласно
плану в дальнейшем к сети предполагается подключать ежегодно 1 млн.
абонентских линий. Таким образом, ожидается, что к 1995 году абонентская
сеть на оптических кабелях будет обслуживать 12 млн. абонентов.

В 1984 г. во Франции была создана первая многофункциональная абонентс-
кая сеть на оптических кабелях в Биаррице, рассчитанная на 1500 абонентов
(1200 частных и 300 учрежденческих). Проводится ее дальнейшее расширение.
Абонентам предоставляются следующие виды услуг: телефон, видеотелефон,
заказная система телевидения, стереофоническое вещание, доступ к банкам
изображений и видеотекст и др. Оптическая абонентская сеть имеет доступ
к междугородней и спутниковой сетям связи.

Во Франции намечается начиная с 1992 года все новое строительство
линий связи осуществлять оптическими кабелями.

Принят план сооружения оптической кабельной сети, которая к 1995 году
должна охватить 50% абонентов страны.
Канада. Внедрение оптических систем связи начато в 1975 году. За это
время изготовлено 33 200 оптического волокна. Около 70% оптического кабеля
подвешено на опорах или проложено в подземной канализации, остальные
30% проложено в грунте.

Оптический кабель имеет профилированный сердечник с 6 пазами. В каждом
пазе располагается до 4 оптических волокон. Снаружи оболочка из огнестой-
кого поливинилхлорида толщиной I мм.

Ведется строительство междугородной ВОЛС между различными регионами
страны. В 1986 г. введен в эксплуатацию восточный участок сети длиной
750 км, соединивший города Торонто, Монреаль и Оттаву. Линия продолжается
до города Кото. Строится ВОЛС длиной 1250 км между городами Ванкувером
и Эдмонтом. Линия рассчитана на 6000 каналов. Скорость передачи
405 Мбит/с. Длина волны 1,3 мкм.

Особое внимание во многих странах (Япония, США, Англия, Франция)
уделяется развитию подводной связи по оптическим кабелям. Здесь исполь-
зуются в первую очередь такие достоинства ОК, как малые габариты и масса,
большие длины трансляционных участков и высокая пропускная способность
оптического тракта.

США завершили строительство подводной магистрали ТАТ-8 через Ат-
лантический океан. Длина магистрали 6000 км. За 500 км до подхода к берегам
Европы кабель разветвляется на два и направляется в Англию и Францию.
Кабель содержит 6 одномодовых волокон, образуя 3 цепи по 4000 каналов
каждая с общей пропускной способностью 12000 каналов. Используются
полупроводниковые лазеры с рабочей длиной волны 1,3 мкм. Скорость
передачи 280 Мбит/с. Затухание 0,5—1 дБ/км. Регенераторы устанавливаются
через 40—55 км. Общее число регенераторов на магистрали—125. Дистан-
ционное электропитание необслуживаемых регенераторов осуществляется по
цепи: трубка (медь, алюминий) — вода с оконечных пунктов магистрали
(Европы и Америки).

Регенераторы содержат наряду с основным лазером три резервных лазера
для обеспечения непрерывной работы в течение 25 лет.

По утверждению американских специалистов, оптическая подводная магист-
раль (ТАТ-8) обладает рядом преимуществ по сравнению с коаксиальной
магистралью (ТАТ-7). Пропускная способность ТАТ-8 12000 каналов, а
ТАТ-7—4000. ОК легче, имеет меньшие габариты и размещается его больше на
прокладывающем судне. Расстояние между регенераторами больше в 5 раз
(45 км и 9 км соответственно). Сооружение оптической магистрали дешевле
коаксиальной примерно в 2 раза. По сравнению со спутниковыми линиями связи
кабельные линии обладают большим сроком службы (5 и 25 лет соответствен-
но), более высокой надежностью и защищенностью от помех и перехвата.

Японией построена подводная оптическая магистраль через Тихий океан
(Транспак-3) протяженностью 7200 км между Японией, США и Канадой.
Оптический кабель содержит 6 одномодовых волокон и имеет броневой
покров, высокопрочную алюминиевую трубку и полиэтиленовую оболочку.
По каждой паре волокон передается 4000 каналов. Длина волны 1,3 мкм.
Регенерационный участок 50 км. Коэффициент затухания 0,49 дБ/км. Кабель
рассчитан на глубину 8000 км.
Великобритания ведет строительство подводной оптической линии протя-
женностью 120км для связи с Бельгией. Кабель содержит 3x2 волокон
и при скорости 280 Мбит/с обеспечит 12000 каналов. Регенераторы—через
40 км. Длина волны 1,3 мкм.

В 1988 г. проложена подводная оптическая линия протяженностью 640 км
между Англией и Данией.

Намечено строительство оптической линии через Ла Манш. Линия длиной
175 км будет без усилителей и рассчитана на скорость 140 Мбит/с.

Франция проектирует прокладку в ближайшие годы подводного оптического
кабеля между Францией и Португалией. Протяженность трассы 1300 км.
Число каналов—до 10000. Оптический кабель с затуханием 0,5—1 дБ/км.
Регенерационный участок 25—30 км. Длина волны 1,3 мкм.

В 1991 году намечается строительство подводной одномодовой оптической
линии ТАТ-9, которая соединит Великобританию, Францию, Испанию с США
и Канадой? Основные параметры линий: длина волны 1,55 мкм, скорость
565 Мбит/с, регенерационный участок 80 км.

К 2000 году проектируется прокладка трансатлантической линии между
Америкой и Европой протяженностью около 6000 км без усилителей. С этой
целью будет применено волокно из тетрафторида циркония, обладающего
на волне 2,5 мкм затуханием 0,01 дБ/км или из фторида бериллия с затуханием
0,005 дБ/к&Г на волне 2,1 мкм.

Проектируется также подводная оптическая магистраль от Австралии
и Новой Зеландии через Гавайи до Северной Америки протяженностью
около 16000 км. Магистраль рассчитана на 12000 каналов с регенерационными
участками в 150 км, длина волны 1,55 мкм. Магистраль должна вступить
в строй в 1996 году.

В период 1990- 1992 гг. намечено соорудить сеть подводных оптических
линий в Средиземном море, связывающую Италию, Францию, Испанию,
Израиль, Турцию, Египет и другие страны Ближнего Востока. Эта сеть
будет включена в оптические магистрали ТАТ-8 и ТАТ-9, соединяющие
Америку с Европой.

Глобальное кольцо волоконно-оптической связи. Все возрастающее сотруд-
ничество различных стран мира потребовало создания международной сети
связи для передачи всех видов современной информации. Этой цели служит
сооружаемое глобальное кольцо волоконно-оптической связи, охватывающее
страны Европы, Америки, Азии и Австралии и три океана (Атлантический,
Тихий и Индийский). Завершающим этапом строительства глобального кольца
будет трасса Япония—СССР—Европа (транссоветская линия—ТСЛ).

Глобальное волоконно-оптическое кольцо связи рассчитано на большое
число каналов (до 12 тыс.) и большие длины трансляционных участков
(100 км). Используются в основном длины волн 1,3 и 1,55 мкм.
(

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.	Справочник по электротехническим материалам: В 3 т./Под ред.
Ю. В. Корицкого и др. Изд. 2-е, перераб. М.-Л.: Энергоатомиздат, 1988.

2.	Ларин Ю. Т. Оптические волокна://Электротехн. пром-ть. Сер. 19.
Кабельные изделия. 1984. Вып. 1. М.: Информэлектро.

3.	Hanafusa Н., Hibino Y., Itih Н., Yamamoto F. Influence of impurities
on loss increase in optical fibre//Electronics Letters. 1987. Vol. 23, № 1. P. 10—11.

4.	Wood D. L,, Nassau K., Chadwick D. L. Optical properties of new oxide
glasses with potential for long—wavelength optical fibers//Applied Optics. 1982.
Vol. 21, № 23. P. 4273—4279.

5.	Использование халькогенидных стекол в интегральной и волоконной
оптике/А. М. Андриеш, В. В. Пономарь, В. Л. Смирнов, А. В. Миронос//Кван-
товая электроника. 1986. Т. 13. № 6. С. 1093—1117.

6.	Фотостимулированиое поглощение света в волокнах из халькогенидных
стекол/А. М. Андриеш, И. П. Кумек, В. В. Пономарь, 3. И. Кангиев//Кванто-
вая электроника. 1987. Т. 14. № 3. С. 603—604.

7.	Андриеш А. М., Пономарь В. В. Оптические свойства волокон из
халькогенидных стеклообразных полупроводников // Квантовая электроника.
1982. Т. 9. № 3. С. 589—591.

8.	Инфракрасные световоды из халькогенидных стекол//И. Н. Вечканов,
А. А. Гурьянов, Г. Г. Девятых и др.//Квантовая электроника. 1982. Т. 9.
С. 438—440.

9.	Ларин Ю. Т. Оптические волокна среднего и дальнего инфракрасного
диапазона волн//Электротехн. пром-сть. Сер. Кабельная техника. 1984. № 10
(236). С. 12- 15.

10.	Воротынцев В. М. Высокочистые исходные материалы для волоконной
оптики//Технология и свойства волоконных световодов. Респ. шк. по волокон-
ной оптике. Ташкент, 24—28 сентября, 1984. Лекции и доклады. С. 12—21.

11.	Патент Ns 4678274 (США). Low loss cladded optical fibers from halides
and process for making same.

12.	Ларин Ю. T. Технологическое оборудование для изготовления опорных
кварцевых труб, заготовок и оптических волокон//Электротехн. пром-сть.
Сер. 19. Кабельные изделия. 1987. Вып. 3 (8). С. 1—64.

13.	Sakar A,, Izadpanah S. Н. High performance UV-cured optical fiber
primary coating//Fiber and Integrated Optics. 1987. Vol. 6, № 2. P. 125—131.

14.	UV curing low refractive index fluoroplastics.—Japan plastics age. 1987.
Ns 3. P. 19—20.

15.	(JV-cnrable. De Solitc optical fibre coatings. DSM Resins International
BV. De Soto Products. Проспект фирмы США., октябрь 1986. С. 11.

16.	Промышленные достижения отверждающихся под облучением систем.
Проспект фирмы SNPE (Государственная компания взрывчатых веществ).
Франция, сентябрь. 1986. 55 с.

17.	Кремнннорганнческие полимерные материалы для волоконных свето-
водов / Е. И. Алексеева, В. Б. Кравченко, Ю. С. Милявский и др. // ИРЗ АН
СССР. Предпринт № 8 (426). М.: 1985. 28 с.

18.	Жилкина Н. В., Ларин Ю. Т., Смирнов Ю. В. Полимерные материалы
для защиты оптических волокон от внешних воздействий//Электротехн.
пром-сть. Сер. Кабельная техника. 1984. № 8 (234). С. 18—21.

19.	Богородицкий Н. П,, Пасынков В. В., Тареев Б. М. Электротехнические
материалы. Изд. 6-е, переработанное. Л.: Энергия, 1977. 352 с.
20.	Geisler J., Beaven G., Boutruchie J. P. Optical Fibres. EPO//Applied
Technology Series. Vol. 5. 1986. Pergamon Infoline Inc. Printed in Great Britain
by A. Wheaton & Co. Ltd. Exeter. 635 p.

21.	Гроднев И. И., Ларин Ю. Т. Волоконно-оптические кабели. Электротех-
нические материалы, электрические конденсаторы, провода и кабели. Т. 14.
М.: ВИНИТИ, 1988. 108 с.

22.	Внльямс Г. Е. Термотропные жидкокристаллические полимеры.— Ин-
терпластика-88. Карл Хазнер Ферлаг, Мюнхен и изд. М.: Химия, 1988.

23.	Стеклопластиковые прутки FRP—PL волоконно-оптических кабелей.
Проспект фирмы Nitto Electric Industrial Со., Ltd. 1986. № 19/05/”86.

24.	Рыснн Л. Г., Третьякова Т. К., Фомина И. В. Перспективные армиру-
ющие элементы для оптических кабелей//Электросвязь, № 5. 1988. С. 41—42.

25.	Мурадян А. Г., Гольдфарб И. С., Иноземцев В. П. Оптические кабели
многоканальных линий связи. М.: Радио и связь, 1987.

26.	IEC Standard. Publications 793—1. Optical fibres. Part I. General
Specification. 1984.

27.	Che^cacci P. F., Falaciai R., Scheggi A. M. Influence of a central depression
on the dispersion characteristics of a graded—index profile//Electronics Letters.
1977. Vol. 13, № 13. P. 378—379.

28.	Furukawa S., Hinata T., Hosono T. Design method for single—mode
optical fibers with zero total dispersion at wavelength of 1,3 and
1,55 pm//Electronics and Communications in Japan. 1987. Vol. 70, № 1. P. 50—58.

29.	Strechert J., Brinkmeyer E. Characteristic parameters of monomode
fibers//Applied Optics. 1982. Vol. 21. № 11. P. 1910—1915.

30.	Селенов H. А. Оптические кабели связи. M.: Радио и связь, 1981

31.	Маркузе Д. Оптические волноводы: Пер. с англ./Под ред В. В. Шев-
ченко. М.: Мир, 1974

32.	Двухканальный волоконный световод с малыми потерями/А. Б. Гру-
динин, А. Н. Гурьянов, Е. М. Дианов и др.//Квантовая электроника. 1984.
Т. 11. № 1. С. 73—76.

33.	Мартынова Т. А., Черенков Г. А. Синтез многоканальных ВОЛС с за-
данными полосами пропускания модовых каналов и минимальным искажением
сигналов//Электросвязь. 1988. №3. С. 31—33.

34.	Kilmer J. Status of single-model optical fiber standardization in the
Electronic Industries Association (EIA)//Fiber and Integral Optics. 1987. Vol. 6,
№2. P. 79—91.

35.	О возможности распространения' оптического сигнала без дисперсии
в двулучепреломляющем оптически активном одномодовом волоконном све-
товоде/Е. Н. Базаров, А. Т. Полухин, Е. И. Сверчков, Г. И. Телегин//Кванто-
вая электроника. 1984. Т. 9. № 4. С. 779—782.

36.	Гончаренко И. А. Волноводная дисперсия анизотропных оптических
волноводов//Квантовая электроника. 1987. Т. 14. №4. С. 816—820.

37.	Katsnyama Toshio, Matsumura Hiroyoshi. Single polarization optical
Fibers//Hitachi Review. 1982. Vol. 31, №6. P. 331—334.

38.	Унгер Х.-Г. Планарные и волоконные оптические волноводы: Пер.
с англ./Под ред. В. В. Шевченко М.: Мир. 1980.

39.	Chen Chin-Lin. An analysis of high birefringenece fibers//Journal of
Lightwave Technology. 1987. Vol. 5. № 1. P. 53—69.

40.	Kumar Arun., Shenoy M. R., Thyagarajan K. Polarization characteristics
of elleptic-core fibers with stress induced anisotropy//Journal of Lightwave
Technology. 1987. Vol. LT-5, №2, P. 193—198.

41.	Chiand Kin Seng. Geometrical birefringence in a class of step-index
fiber//Journal of Lightwave Technology. 1987. Vol. 5, № 6. P. 737—744.

42.	Поляризационные эффекты в двулучепреломляющих волоконных све-
товодах с эллиптической боросиликатной оболочкой/В. В. Григорьянц,
А. Н. Залогин, Г. А. Иванов и др.//Квантовая электроника. 1986. Т. 13. № 10.
С. 2080—2082.
43.	Chiand К. S. Single-polarization single-mode guidance in stress-induced
birefringenece fibres with lossy stress-applying sections//Elektronics Letters. 1987.
Vol. 23, № 10.

44.	Sasaki J., Tajima K., Seikai S. Low-loss dispresion-shifted polarization-
maintaining fibres//Electronics Letters. 1987. Vol. 23. Ne 6. P. 279—280.

45.	Сибата H., Сэйнкай С., Абэ T. Проектирование структурных параметров
оптических волокон со стабильной поляризацией для подводных ретранс-
ляторов с резервированием источника света//Кэнкю дзицуека хокоу. 1986.
Т. 35, №4. С. 431 439.

46.	Многоканальные анизотропные одномодовые волоконные световоды
для волоконно-оптических датчиков/А. Н. Гурьянов, Д. Д. Гусовский,
Г. Г. Девятых и др.//Квантовая электроника. 1987. Т. 14, №3. С. 609—611.

47.	Garth S, J. Filds in a bent single-mode fibre//Electronics Letters. 1987.
Vol. 23, № 8. P. 373—374.

48.	Birch R. D. Fabrication and characterisation of circulary birefringent helical
fibres//Electronics Letters. 1987. Vol. 23, № 1. P. 50— 52.

49.	Широкополосные многомодовые градиентные волоконные светово-
ды/А. В. Белов, Н. Н. Вечканов, Е. Н. Гурьянов и др.//Квантовая электроника.
1987. Т. 14, №6. С. 1152—1154.

50.	Wlodarcsyk М., Seshadri S. R. Radiation losses in a periodically deformed
signle-mode fiber//Journal of Lightwave Technology. 1987. Vol. LT-5, № 1.
P. 163—173.

51.	Ларин Ю. T., Дардик Л. В, Анализ дополнительного затухания в мно-
гомодовом градиентном волокне от микроизгибов, вызванных поперечными
механическими воздействиями: Теория, исследование, конструирование кабель-
ных изделий, технология их производства, материалы//Сб. научных трудов
ВНИИКП. М., 1987. С. 22—30.

52.	Морозостойкие оптические модули/А. А. Абрамов, Г. Ю. Боркина,
М. М. Бубнов и др.//Волоконная оптика. М.: Наука. 1987. (Тр. ИОФАН: т. 5).

53.	Кремез А. С., Геча Э. Я. Результаты экспериментального исследования
устойчивости оптических волокон и кабелей к радиальным сжимающим
нагрузкам: Теория, исследование, конструирование кабельных изделий, тех-
нология их производства, материалы//Сб. научных трудов ВНИИКП. М.,
1987. С. 68—74.

54.	Love J. D., Snyder A. W. Radiation from single-mode helical
fibres//Electronics Letters. 1987. Vol. 23, №21. P. 1109—1110.

55.	Тараканов В. А. Поперечные нагрузки на кабель на барабане ле-
бедки//Электротехн. пром-ть. Сер. Кабельная техника. 1984. Вып. 12(238).
С. 7—10.

56.	Katsuyama Y., Hatano S., Hogari К., Kokubun T. Higher-density single-mode
optical fibre cables than 1 fiber/mm, Containing hundreds of fibres//Electronics
Letters. 1987. Vol. 23, №10. P. 481—482.

57.	Терещенко В. И., Чернецов Ю. А. Номографический метод расчета
количества проволок и разрывных усилий брони грузонесущих кабе-
лей//Электротехн. пром-ть. Сер. Кабельная техника. 1980. Вып. 6(184). С. 4—5.

58.	Дсражне А. М. Влияние количества слоев проволоконесущей части
грузонесущих кабелей на их рабочую длину//Электротехн. пром-ть. Сер.
Кабельная техника. 1983. Вып. 3(217). С. 1-3.

59.	Гроднев И. И., Ларин Ю. Т., Теумнн И. И. Оптические кабели. Констру-
кции, характеристики, производство и применение. М.: Энергоатомиздат, 1985.

60.	Волоконно-оптические кабели для протяженных линий связи/Т. В. Бух-
тиаров, А. А. Дьяченко, В. П. Иноземцев, А. А. Соколов//Итоги науки и тех-
ники. Сер. Связь. Т. 1. М.: ВИНИТИ, 1988. С. 3—63.

61.	Guttmann V. Theoretische und Expcrimentalle Untersuchungen zur
Verkoppling zweier Glass faserlichtwellenlciter//Wiss. Ber. AEG-Telefunken. 1973.
Vol. 46, №8. P. 8—15.

62.	Иноземцев В. П., Данцер Р. Е. Расчет затухания волоконных световодов
при скрутке в кабель//Электросвязь. 1985. № 10. С. 17—21.
63.	Васильев В. Н., Дульнев Г. Н., Наумчик В. Д. Стационарные кон-
фигурации области деформации при вытяжке оптического волокна//Инженерно-
физический журнал. 1987. Т. 53, № 3. С. 496—498.

64.	Jablonowski D. R., Pack Un Chui, Watkins L. S. Optical fiber
manufakturing techniques//AT and T Technical Journal. 1987. Vol. 66, № 1.
P. 33—34.

65.	Pack U. C. High-speed high-strength fiber drawing//Journal of Lightwave
Technology. 1986. Vol. LT-4, №8. P. 1048—1060.

66.	Aloisio C. J., Lenahan T. A., Taylor C. R. Coating optical fibers with
dual dies separated by a pressurized chamber//Fiber and Integrated Optics. 1984.
Vol. 5, № 1. P. 81—97.

67.	Теумин И. И. Волноводы оптической связи. М.: Связь, 1978.

68.	Андрушко Л. М., Гроднев И. И,, Панфилов И. П. Волоконно-оптические
линии связи. М.: Радио и связь, 1985.

69.	Волоконная оптика и приборостроение/Бутусов М. М., Галкин С. Л.,
Оробинский С. П., Пал Б. П. Л.: Машиностроение, 1987. С. 328.

70.	Снайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов: Пер. с англ.
М.: Радиои связь, 1987.

71.	Шикетанц Д. Теория измерений по методу обратного рассеяния
в световодах//Зарубежная радиоэлектроника. 1981. №6. С. 87—94.

72.	Пресби X. М., Маркузе Д. Методы определения профиля показателя
преломления заготовок и изготовленных из них оптических волокон//ТИИЭР.
1980. Т. 68. № 10. С. 35—41.

73.	Барноски М. К., Персоник С. Д. Измерения в волоконной опти-
ке//ТИИЭР. 1978. Т. 66. Вып. 4. С. 75—90.

74.	Верник С. М., Косолапенко Г. Б., Шутин Р. И. Аппаратура для измере-
ния затухания оптических кабелей в процессе монтажа и эксплуата-
ции//Электросвязь. 1986. № 12. С. 46—48.

75.	А. с. № 1013802. Измеритель затухания оптического волокна/
О. К. Скляров, И. И. Теумин//О. И. 1983. №15.

76.	Введение в технику измерений оптико-физических параметров световод-
ных систем: Сб. статей/Под ред. А. Ф. Котюка. М.: Радио и связь. 1987.

77.	Артюшенко В. Г., Николайчик А. В. Измерение распределения показа-
теля преломления по сечению оптического волокна//Тр. МФТИ. Сер. Общая
и молекулярная физика. 1976. № 8. С. 13—16.

78.	Александров И. В., Жаботинскин М. Е., Шугипанов О. Е. Механическая
надежность волоконных световодов и возможные пути ее повышения (об-
зор)//ЖТФ, 1984. Т. 34. №9. С. 1641—1662.

79.	Stormbom L., Pennanen R., Kurki J. A high speed optical fibre double
pressure coating system//Wire and Cable Panorama. 1986. № 10, 11. P. 53—55.
И.И. ГРОДНЕВ ЮТ. ЛАРИН И.И.ТЕУМИН

оптические

КОНСТРУКЦИИ, ХАРАКТЕРИСТИКИ,
ПРОИЗВОДСТВО

И ПРИМЕНЕНИЕ

2-е издание, переработанное

и дополненное

МОСКВА
ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ
1991
ББК 31.23
Г86

УДК 621.315.2:681.8.068

Рецензент канд. техн, наук В. П. Иноземцев

Гроднев И. И. и др.

Г86 Оптические кабели: конструкции, характеристи-
ки, производство и применение / И. И. Гроднев,
Ю. Т. Ларин, И. И. Теумин.— 2-е изд., перераб.
и доп.— М.: Энергоатомиздат, 1991.—264 с.: ил.

ISBN 5-283-00586-0

Изложены основы теории оптических кабелей (ОК), опи-
саны их конструкции, характеристики и технология изготов-
ления. Даны сведения о применении и особенностях монтажа
ОК. I-е издание вышло в 1985 г. 2-е издание дополнено
и переработано в соответствии с достижениями в области
конструирования, производства, монтажа и эксплуатации ОК.

Для инженерно-технических работников, занимающихся
применением, конструированием и изготовлением ОК.

„ 2202040000-292

Г ---------------49-91

051(01)-91

ББК 31.23

ISBN 5-283-00586-0

© Энергоатомиздат, 1985

© Авторы, 1991
ПРЕДИСЛОВИЕ

Достоинства оптических кабелей и волоконно-оптических систем
передачи, и прежде всего экономия меди, вызвали повышенный
интерес к ним и привели к интенсивному развитию этой отрасли.
Передача информации по оптическим кабелям является сегодня
одним из главных направлений научно-технического прогресса.

Оптические кабели применяются в различных отраслях
науки и производства—связи, радиоэлектронике, термоядерном
синтезе, медицине, машиностроении, вычислительных и изме-
рительных комплексах, мобильных объектах, космических ис-
следованиях и т. д. Они получили широкое развитие как
у нас, так и за рубежом (Япония, США, Великобритания,
Германия, Франция, Китай, Бразилия и др.).

Темпы роста объема волоконно-оптических систем передачи
и кабелей на мировом рынке опережают все другие отрасли
техники и составляют 40% в год.

Ряд стран уже сейчас строит новые сооружения связи на
оптических кабелях и оптоэлектронной технике, и к 2000 г.
ожидается, что они займут доминирующее место в сетях связи.

Настоящая книга охватывает все новые аспекты, связанные
с теорией, расчетом, конструированием, изготовлением и при-
менением оптических кабелей. В книге также излагается опыт
монтажа волоконно-оптических систем передачи.

Волоконная оптика развивается очень быстрыми темпами.
За прошедшие пять лет после выхода в свет первого издания
книги произошли существенные изменения как в конструкциях
оптических кабелей, так и в методах их расчета, констру-
ирования, измерения и производства. Появились одномодовые
кабели, расширен диапазон их использования, освоена новая
часть инфракрасного диапазона, появились новые светопро-
водящие материалы (фтор, цирконий, бериллий и др.), новые
многоствольные системы передачи и т. д. Поэтому по срав-
нению с предыдущим изданием в настоящей книге большинство
глав изложено заново или существенно переработано.

Главы 1,	2,	11 написаны доктором техн, наук

И. И. Гродневым, гл. 3—8 и 12—кандидатом техн, наук
Ю. Т. Лариным, гл. 9, 10—доктором техн, наук И. И. Теуминым.

Авторы выражают глубокую благодарность рецензенту
книги В. П. Иноземцеву. Все замечания по данной книге
просьба направлять по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлю-
зовая наб., Ю, Энергоатомиздат.

Авторы