Что такое оптические кабели и их применение?

Оптическими называют такие кабели, изготовленные из оптических волокон. Основным назначением оптических кабелей является передача светового излучения от источника света до фотоприемника.

Классификация. Оптические кабели классифицируют по количеству волокон (жил). Различают одно- и многожильные оптические кабели. Выполняют классификацию также по типу оптических волокон. Выделяют оптические кабели, изготовленные из двухслойных оптических волокон и с градиентных типа «селфок». Можно классифицировать оптические кабели по материалу волокон. Различают кабели, изготовленные из одно- и многокомпонентного стекла, из прозрачных полимерных материалов. Возможна классификация оптических кабелей также по конструкции (взаимным расположением внутренних элементов кабеля) и по некоторым другим признакам.

Строение. Оптические кабели изготавливают из волокон. Чаще всего материалом последних служит стекло (однокомпонентное, преимущественно кварцевое или многокомпонентное). Чтобы обеспечить прохождение света, оптические волокна изготавливают двухслойными с сердцевиной, оптически более густой, чем оболочка или однослойными (сплошными), но с радиальным градиентом оптической плотности (показатель преломления осевой части больше, чем периферийной) (рис. 1). Последние еще называют градиентными или стекловолоконными типа «селфок».

Структура стекловолокон и способы распространения в них световых лучей: а - двухслойное; б - однослойное ("селфок")

Рис. 1. Структура стекловолокон и способы распространения в них световых лучей: а — двухслойное; б — однослойное («селфок»)

Оптические кабели отмечаются достаточно широким разнообразием конструкций (рис. 2), которые одновременно имеют некоторые общие конструктивные элементы. Волоконные световоды (двухслойные или типа «селфок») прежде покрывают индивидуальной тонкой защитной пленкой, которая исключает взаимонаведения между волокнами. После этого жгут световодов окружают общей оболочкой, которая имеет согласованные эластичность и жесткость. Внешняя оболочка обеспечивает прочность кабеля и его устойчивость к внешним воздействиям. Все три защитные оболочки являются полимерными. В состав кабелей часто вводят укрепляющие элементы, которые обеспечивают их механическую прочность.

Строение оптических кабелей

Рис. 2. Строение оптических кабелей: 1 — волокно; 2 — укрепляющее элемент; 3 — внутренняя оболочка; 4 — внешняя оболочка

Работа. Передача света по волоконно-оптическим световодах основано на использовании ефекта полного внутреннего отражения. Покажем это на примере цилиндрического двухслойного световода. Поскольку у него внутренняя жила оптически гуще, чем оболочка, то для лучей, входящих в световод под малыми углами к оси цилиндра, выполняется условие полного внутреннего отражения от границы раздела внутренняя жила — оболочка. Максимальный угол отклонение от оси, при котором еще наблюдается полное внутреннее отражение, определяется по выражению

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

где %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 — числовая апертура световода; %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 — коэффициенты преломления сердцевины и оболочки, %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9.
Внеапертурные лучи, падающие под углами (%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, при взаимодействии с оболочкой не только отражаются, но и частично поглощаются. В конечном итоге к концу световода они не доходят.

Аналогично распространяются световые лучи и по тем световодам, в которых показатель преломления с периодом меняется не ступенчато, а плавно.

Свойства. Важными параметрами световодов, которые характеризуют их свойства, являются числовая апертура %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, затухания В, расширение длительности импульса %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 определяется из выражения. Затухание В рассчитывается по формуле%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

где %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 — входная и выходная мощность светового луча; L — длина световода. Потери энергии в световоде состоят из апертурных потерь %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, обусловленных несовпадением апертур излучателя и световода; потерь упаковки %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, связанных с тем, что только часть площади торца жгута занята светопроводными жилами; френелевских потерь %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, обусловленным отражением от торцов световода; потерь отражения от границы жила-оболочка %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, потерь поглощения в материале %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9. Полные потери энергии равны сумме составляющих:

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

их значение для кварца составляет 1 … 10 дБ/км, а для многокомпонентного стекла — больше. При прохождении света по оптическом волокне расширяется продолжительность импульса %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 вследствие волновой дисперсии%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 дисперсии монохроматичности, обусловленной конечностью широкоспектральной линии %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 дисперсии свойств материала световода %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9. Полное расширение продолжительности импульса равна сумме составляющих:
%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Его числовое значение может достигать %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9.Другими параметрами оптических кабелей, которые определяют их свойства, является внешний диаметр ( ≈ 2.. 20 мм); прочность на разрыв (от десятков до сотен ньютон) масса ( ≈ 2..200 г/м)  допустимый радиус изгиба (5..50 см).

Применение. Оптические кабели широко применяются в волоконно оптических линиях связи различной протяженности: длинных (магистральных); средних (внутригородских); коротких (внутриобъектовых); сверхкоротких (междублоковых и внутриблочных).

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*