3.2.2 Волоконно-оптические кабели в сети доступа

3.2.2 Волоконно-оптические кабели в сети доступа

Современное представление о сети доступа уже неразрывно связано с использованием волоконно-оптических кабелей с подводом к абонентскому терминалу или с промежуточным окончанием (“гибридный вариант волокно-медь”).

В чем состоит физика волоконно-оптической передачи?

Когда световая волна падает на границу раздела двух сред, то могут наблюдаться следующие эффекты: свет преломляется; свет отражается; свет распространяется вдоль границы раздела сред.

Эти эффекты зависят от соотношения показателей преломления сред и угла падения света. Связь этих параметров устанавливает закон Снеллиуса:

, где
-угол падения, -угол преломления, V₁-скорость света в среде 1, V₂-скорость света в среде 2. На рисунке 3.16 приведен пример распространения света на границе раздела сред.

Рисунок 3.16 Световые лучи на границе раздела физических сред

В оптических световодах используется эффект отражения света. Они выполняются прямоугольными и цилиндрическими (волоконными). Прямоугольные применяются в микросхемах, а цилиндрические в виде длинных волокон служат основой кабелей (примеры на рисунке 3.17).

Рисунок 3.17 Примеры конструкций волоконных световодов

В конструкциях выделяются две составляющие: сердцевина с диаметром от 8-10 мкм до 100 мкм и оболочка с диаметром от 125 до 140 мкм. Сердцевина и оболочка выполняются из материалов с разной оптической плотностью, которая характеризуется показателем преломления:

где c скорость света в свободном пространстве (~3•108 м/с), V скорость света в веществе. Обычно значение показателя преломления сердцевины обозначается n1, а оболочки n2. Условием распространения света в волноводе в этом случае записывается:

n1>n2.

В зависимости от геометрических размеров сердцевины и соотношения показателей n1 и n2 возможна реализация режимов работы световодов: многомодовый и одномодовый.

Многомодовый режим характеризуется распространением в световоде множества независимых лучей света или типов волн.

Одномодовый режим характеризуется распространением в световоде одного луча света или одного типа световой волны (рисунок 3.18).

Рисунок 3.18 Лучи света в волноводе

Для изготовления световодов применяют многие материалы, которые условно подразделяют на неорганические и органические. К неорганическим относятся стекла (Si O₂, Ge O₂, NA O₂, Ca O , Pb O и другие) и дополнительные присадки к ним (P₂ O₅, Ti O₂, Al₂ O₃, Sb₂ O₃). К органическим относятся пластмассы на основе различных полимеров (метилметакрилат, тетрафтор- пропилметакрилат, метилакрилат и другие) [29,30].

Волоконные световоды на основе пластмасс имеют худшие характеристики чем на основе стекол, но они на порядок дешевле. Это очень важное обстоятельство для использования волоконных световодов в сетях доступа, где наиболее актуально снижение затрат на одно окончание для пользователя.

Одномодовые и многомодовые световоды характеризуются двумя важнейшими параметрами передачи оптических сигналов: затуханием и дисперсией.

Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и рассеяния излучения в световоде. Затухание зависит от длины волны излучения, вводимого в волокно. Например, для кварцевых волокон (стекловолокон) передача наиболее эффективна на длинах волн: 0,85 мкм; 1,3 мкм и 1,55 мкм (рисунок 3.19).

Рисунок 3.19 Характеристики затухания кремниевого стекловолокна

Полимерные волокна имеют другие значения длин волн наивысшей эффективности передачи (рисунок 3.20).

Рисунок 3.20 Зависимость эффективности передачи мощности оптического излучения в пластиковом световоде от длины волны

Затухание пластикового световода может составлять десятки и сотни дБ/км, что естественно ограничивает возможности передачи до десятков и сотен метров. Лучшие пластиковые световоды обеспечивают передачу до 3 км при стандартных излучателях и приемниках.

Другой важнейший параметр оптического волокна – дисперсия.

Дисперсия – это рассеяние во времени спектральных, модовых и поляризационных составляющих оптического сигнала.

Известны три типа дисперсии:

- межмодовая, которая присуща многомодовому волокну и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно;
- хроматическая, которую подразделяют на материальную и волноводную дисперсии, при этом материальная обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны (ширины спектра излучения), а волноводная зависит от процессов распространения составляющих моды в сердцевине и оболочке, т.е. тоже от ширины спектра моды;
- поляризационная модовая дисперсия возникает вследствие различной скорости распространения двух различных двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих одной моды.

Межмодовая и хроматическая дисперсия имеют размерности [с/км], а поляризационная дисперсия имеет размерность [c/ ].
Совокупная дисперсия световода определяется соотношеием:

,
где – межмодавая, – материальная, – волноводная, – поляризационная.
Кроме того, многомодовое волокно еще характеризуется полосой пропускания [71]:

Хроматическая дисперсия зависит от ширины спектра излучения и она может быть определена произведением: ,
где – ширина спектра источника измерения, (удельная нормированная) величина, измеряемая [пс/нм•км].
Наиболее важные типовые характеристики волоконных стеклянных (Si O₂) световодов приведены в таблице 3.7.

Таблица 3.7 Примеры типовых характеристик стекловолокон

Еще одной характерной особенностью волоконных световодов является структура профиля показателя преломления сердцевины и оболочки. Примеры структур и их влияние на параметры дисперсии показаны на рисунке 3.21

а) ступенчатый профиль показателя преломления оптического волокна

б) треугольный профиль показателя преломления оптического волокна

в) градиентный профиль многомодового оптического волокна

Рисунок 3.21 Примеры взаимосвязи профиля показателя преломления и величины дисперсии волоконных световодов

Известно множество конструкций оптических кабелей. Среди них необходимо выделить кабели для сетей доступа, которые должны отвечать определенным требованиям:

- относительно низкая стоимость;
- требуемая полоса пропускания;
- допустимое затухание на участке доступа;
- простое сопряжение с источниками и приемниками излучения ;
- работа при различных температурах;
- устойчивость к влаге, давлению, вибрациям и т.д.

Оптические кабели в сетях доступа подразделяются на объектовые, распределительные и магистральные.

Объектовые оптические кабели (абонентские) выполняются в формате 1-2 волокон (рисунок 3.22).

Рисунок 3.22 Примеры конструкций объектовых (абонентских) кабелей с волоконными световодами и плотной укладкой волокон

Для распределительной и магистральной линий могут использоваться кабели модульной, ленточной и профилированной конструкций. Они отличаются емкостью и способом размещения волокон. Свободная укладка волокон позволяет компенсировать механические и термические воздействия на волокно в известных пределах нагрузок. Конструкции этих типов кабелей приведены на рисунке 3.23.

Рисунок 3.23 Конструкция оптических кабелей для сети доступа

При оконечивании оптических кабелей, которое осуществляется, как правило, в герметичных кроссовых шкафах и ящиках, каждое волокно завершается разъемным соединителем.

Известны ряд стандартов соединителей:

коннекторы типа ST (для многомодовых кабелей);

типа FC (для одномодовых кабелей);

типа SC (для одномодовых и многомодовых кабелей);

розетки соответственно ST, FC, SC;

адаптеры обнаженного волокна для временного оперативного соединения;

постоянные и переменные аттенюаторы;

ответвители и разветвители, различающиеся коэффициентом деления мощности сигнала.

Сращивание отдельных волокон различных строительных длин оптических кабелей производится сваркой. В отдельных случаях могут использоваться сплайсовые (трубочные) соединения. Прокладка оптических кабелей сети доступа может быть осуществлена в распределительных желобах, закрепляемых на стены зданий, вдуванием сжатым воздухом в пластиковые трубчатые каналы, проложенные в здания под штукатуркой, подвеской между зданиями или прокладкой в кабельной канализации [26,31,32,38,41,42,57,60].