Физические основы передачи оптического излучения по волоконным световодам

САМАРА 2006

Авторы: Андреев В.А., Бурдин В.А., Попов Б.В., Попов В.Б.

Рецензенты: В.Д. Халуп, С.Р. Есин

Технология строительства ВОЛП: Учебное пособие для 0-60 вузов/ В.А. Андреев, В.А. Бурдин, Б.В. Попов, Попов В.Б.

/под редакцией В.А. Андреева - Самара, СРТТЦ ПГА- ТИ, 2006. - 274 е.: ил.

Рассматриваются типы и конструкции оптических воло­кон (ОВ) и оптических кабелей (ОК). Излагаются основные положения и технологии строительства волоконно- оптических линий передачи (ВОЛП). Описываются с учетом последних достижений строительной техники технологиче­ские особенности прокладки оптических кабелей в теле­фонной канализации, в грунт, в том числе методом пневмо- задувки в пластиковые трубы. Рассматриваются вопросы подвески ОК на опорах ЛЭП и железных дорог, монтаже со­единительных муфт, технадзора за строительно- монтажными работами на ВОЛП. Рассматриваются новые перспективные технологии строительства ВОЛП. Излагают­ся основные положения измерения в процессе строительст­ва, включая приемо-сдаточные измерения. Приводятся све­дения о составлении необходимой документации на закон­ченные строительством линейные сооружения ВОЛП в со­ответствии с требованиями действующей нормативной до­кументацией.

Учебное издание

Андреев Владимир Александрович, Бурдин Владимир Александрович, Попов Борис Владимирович, Попов Виктор Борисович

Учебное пособие

Оглавление

Предисловие.............................................................................................................. 7

1. ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА.................................................................................... 9

2.1. Физические основы передачи информации по

волоконным световодам................................................................................. 9

8.5. Конструкция оптических волокон............................................................. 9

8.6. Физические основы передачи оптического излучения по

волоконным световодам............................................................................ 10

8.7. Типы волн, распространяющихся в оптических волокнах............... 12

8.8. Параметры передачи оптических волокон.......................................... 14

8.9. Основное уравнение передачи............................................................... 17

8.10. Число мод, распространяющихся в оптических волокнах............... 18

2.2. Многомодовые оптические волокна.......................................................... 20

1.2.1. Классификация многомодовых оптических волокон......................... 20

1.2.2. Многомодовые оптические волокна на современных сетях связи

…………………………………………………………………….. ...... 22

1.3 Одномодовые оптические волокна........................................................... 22

1.3.1. Общие положения.............. ;....................................................................... 22

1.3.2. Стандартные одномодовые оптические волокна.............................. 23

1.3.3. Волокна со смещенной дисперсией...................................................... 26

1.3.4. Волокна с минимизацией потерь в третьем окне прозрачности 27

1.3.5. Волокна с ненулевой смещенной дисперсией................................... 27

1.4 Потери в оптических волокнах................................................................ 29

1.4.1. Спектральная характеристика коэффициента затухания

оптических волокон..................................................................................... 29

1.4.2. Волновые диапазоны................................................................................ 30

1 4.3. Составляющие потерь в оптических волокнах................................... 31

14 4. Потери Рэлеевского рассеяния............................................................... 32

1 4 5. Потери на поглощение........................................................................... ...33

1 4.6. Кабельные потери...................................................................................... 36

2.3. Дисперсия оптических волокон................................................................... 37

1 5.1. Общие положения....................................................................................... 37

1 5,2. Межмодовая дисперсия............................................................................ 37

3. 3. Хроматическая дисперсия........................................................................ 38

1 5 4 Материальная дисперсия.......................................................................... 38

1.5.5. Волноводная дисперсия........................................................................... 41

1 5.6. Спектральные характеристики хроматической дисперсии

одмомодовых оптических волокон действующих рекомендаций МСЭ-Т

................................................................................................................................... 42

1.5.7. Дисперсионные параметры одномодовых оптических волокон 44

1.5.8. Поляризационная модовая дисперсия................................................ 46

1.6. Контрольные вопросы................................................................................... 53

2. КОНСТРУКЦИИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ

СВЯЗИ........................................................................................................................ 55

2.1. Классификация оптических кабелей связи............................................. 55

2.2. Основные конструктивные элементы ОК и материалы для их

изготовления.................................................................................................... 56

2.3. Технические требования, предъявляемые к ОК.................................... 62

2.4. Основные производители и номенклатура ОК...................................... 64

2.5. О маркировке оптических кабелей связи................................................. 68

2.6. Оптические кабели для прокладки в грунт.............................................. 70

2.7. Оптические кабели для пневмозадувки в защитные

пластмассовые трубы.................................................................................... 72

2.8. Оптические кабели для прокладки в кабельной канализации.......... 73

2.9. Подвесные оптические кабели................................................................... 74

2.10. Подводные оптические кабели связи............... .................................... 81

2.11. Оптические кабели для прокладки внутри зданий............................. 84

2.12. Контрольные вопросы................................................................................ 88

3. ОРГАНИЗАЦИЯ И ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ ПО

СТРОИТЕЛЬСТВУ ВОЛП...................................................................................... 88

3.1. Контрольные вопросы................................................................................... 91

4. ГРУППИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ ДЛИН ОК....................................... 91

4.1. Контрольные вопросы................................................................................... 92

5. ПРОКЛАДКА ОК В ТЕЛЕФОННОЙ КАНАЛИЗАЦИИ.................................. 92

5.1. Общие требования к прокладке ОК........................................................... 92

5.2. Механические нагрузки при затягивании ОК в каналы кабельной

канализации и меры по их ограничению................................................. 93

5.3 Подготовка кабельной канализации к прокладке ОК......................... 101

5.4 Технология прокладки ОК в кабельной канализации........................ 106

5.5 Контрольные вопросы............................................................................... 112

6. ПРОКЛАДКА ОК В ГРУНТ............................................................................... 112

6.1. Условия производства работ.................................................................... 112

6.2. Прокладка ОК в траншею........................................................................... 113

6.3. Прокладка ОК кабелеукладчиком............................................................. 115

6.4. Прокладка кабеля с применением защитного трубопровода......... 121

6.5. Особенности прокладки ОК в условиях многолетнемерзлых

грунтов.............................................................................................................. 122

6.6 Прокладка ОК в предварительно проложенные в грунт защитные

пластмассовые трубки методом задувки............................................... 124

6.6.1 Общие положения...................................................................................... 124

6.6.2 Общие указания по прокладке ЗПТ....................................................... 128

6.6.3.Прокладка защитной полиэтиленовой трубки в грунт

кабелеукладчиком....................................................................................... 129

6.6.4. Прокладка защитных полиэтиленовых трубок в траншею............ 130

6.6.5.Прокладка защитной полиэтиленовой трубки в канализацию. ……133

6.6.6. Монтаж защитной полиэтиленовой трубки и её испытание .......... 134

6.6.7. Особенности прокладки оптических кабелей методом задувки в

ЗПТ............................................................................................................................ 139

6.6.8. Установка замерных столбиков и электронных маркеров............. 143

6.7. Прокладка ОК через водные преграды............................................... 145

6.8.Пересечение подземных коммуникаций методом горизонтального

направленного бурения.............................................................................. 147

6.8.1. Общие положения..................................................................................... 147

6.8.2Технология бестраншейного строительства методом ГНБ............ 148

6.9. Контрольные вопросы............................................................................... 155

7. РЕКУЛЬТИВАЦИЯ ЗЕМЕЛЬ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ВОЛП............. 156

7.1. Контрольные вопросы................................................................................. 157

8. ПОДВЕСКА ОК................................................................................................ 157

8.1.общие положения.......................................................................................... 157

8.2. Подвеска ОК на опорах высоковольтных линий передач................. 158

8.3. Раскатка и подвеска кабелей ОКГТ и ОКСН.......................................... 160

8 4. Подвеска кабеля ОКНН способом навива.............................................. 162

8.11. Подвеска самонесущего ОК на опорах контактной сети и

высоковольтных линий автоблокировки железных дорог................. 165

8.5.1. Общие положения..................................................................................... 165

8 5.2. Нагрузки, действующие на ОК и оценка их несущей способности

................................................................................................................................... 169

8. 5.3. Организация и технология работ по подвеске и монтажу ОК... 170

8.12. Контрольные вопросы 176

9. НОВЫЕ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА ВОЛП

................................................................................................................................... 176

9.1. Общие положения........................................................................................ 176

9.2 Технология микротрубок при строительстве ВОЛП............................. 178

9.3. Использование маловолоконной кабельной системы для решения

проблемы широкополосных сетей абонентского доступа....................... 182

9.3.1. МВКС для городской прокладки............................................................. 182

9.4. Технология навивки ОК на фазовый провод низковольтных ЛЭП . 184

9.5. Контрольные вопросы................................................................................. 188

10 МОНТАЖ ВОЛП.............................................................................................. 188

10.1 Требования к неразъемным соединениям ОВ................................... 188

10.2. Подготовка ОВ к сращиванию................................................................. 189

10.3. Способы сращивания ОВ......................................................................... 194

10.4. Защита мест сварки ОВ............................................................................ 198

10.5 Конструкция муфт ОК и особенности их монтажа............................. 199

10.6. Контрольные вопросы............................................................................. 206

11. ТЕХНИЧЕСКИЙ НАДЗОР ЗА СТРОИТЕЛЬСТВОМ ВОЛП................. 206

11.1 Контрольные вопросы................................. :........................................... 210

12. ИЗМЕРЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ СТРОИТЕЛЬСТВА ВОЛП....................... 210

12.1 Общие положения....................................................................................... 210

12.2.Входной контроль на строительных длинах ОК................................ 212

12.3.Измерения, проводимые в процессе прокладки ОК......................... 215

12.4.Измерения, выполняемые в процессе монтажа ОК......................... 217

12.5.Измерения на смонтированном регенерационном участке ВОЛП

12.6. Приемо-сдаточные измерения............................................................. 223

12.7.Контрольные вопросы............................................................................... 224

13.ИСПОЛНИТЕЛЬНАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ НА ЗАКОНЧЕННЫЕ

СТРОИТЕЛЬСТВОМ ЛИНЕЙНЫЕ СООРУЖЕНИЯ ВОЛП.................. 224

14.ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ПРИЕМОЧНЫХ ИСПЫТАНИЙ ЭКУ

ВОЛП................................................................................................................. 227

14.1. Общие положения..................................................................................... 227

14.2.Нормативно-техническая документация, регламентирующая

требования к ЭКУ ВОЛП..................................................................................... 230

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.................................................................................................. 232

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.................................................................................................. 246

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.................................................................................................. 255

ПРИЛОЖЕНИЕ 4.................................................................................................. 268

ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………………………..

Предисловие

В настоящее время очевидно, что научно - технический прогресс во многом определяется скоростью передачи информации и её объё­мом. Возможность резкого увеличения объёма передаваемой инфор­мации наиболее полно реализуется в результате применения волоконно - оптических кабелей связи, которые по сравнению с такими широко распространёнными средствами, как спутниковые и радиоре­лейные линии, имеют значительно более широкую полосу пропуска­ния.

На сегодняшний день в России новые магистральные, внутризоно­вые и межстанционные линии связи ГТС Министерства информацион­ных технологий и связи РФ строятся только с использованием волоконно - оптических кабелей. Оптические кабели получили широкое применение также на железнодорожном транспорте и на линиях высо­кого напряжения. На железных дорогах оптические кабели подвеши­вается на опорах контактной сети и автоблокировки, а на линиях вы­сокого напряжения - на опорах ЛЭП. Кроме того, в последние годы в городах и районных центрах достаточно широко стала применяться подвеска оптических кабелей на опорах городского электрохозяйства (опоры трамвайного и троллейбусного транспорта, опоры освещения).

В учебном пособии рассматриваются конструкции и типы оптиче­ских волокон, а также физические основы передачи информации по ОВ. Приводятся конструкции и характеристики ОК. Излагаются техно­логические особенности прокладки оптических кабелей в телефонной канализации, в грунте, а также подвески на опорах контактной сети железных дорог и на опорах ЛЭП с учетом последних достижений оте­чественной и зарубежной практики. Достаточно подробно излагаются вопросы прокладки оптических кабелей в предварительно проложен­ные защитные пластмассовые трубки методом задувки при помощи специальных компрессорных установок. Рассматриваются вопросы монтажа муфт оптических кабелей, приводятся основные характери­стики и конструктивные особенности отечественных и зарубежных со­единительных муфт, а также технадзор за строительно - монтажными работами на ВОЛП.

Излагаются основные положения по измерению ОК в процессе про­кладки, монтажа, на смонтированном регенерационном участке ВОЛП.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направле­нию «Телекоммуникации» и для слушателей учебных центров повы­шения квалификации и переподготовки специалистов предприятий связи. Пособие полезно также специалистам, занимающимся проекти­рованием, строительством, монтажом муфт и оконечных устройств и технической эксплуатацией ВОЛП.

Авторы выражают благодарность инженеру кафедры ЛС и ИТС ПГАТИ Гаврюшину С.А. за помощь в подготовке учебного пособия к изданию.

1. ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА

1.1. Физические основы передачи информации по волоконным световодам

1.1.1. Конструкция оптических волокон

Оптические волокно (ОВ) представляет собой двухслойную, как правило, цилиндрическую структуру в виде сердцевины, заключенной и оболочку (рис. 1.1). По материалу сердцевина-оболочка выделяют следующие группы волоконных световодов: кварц-кварц, кварц-п, полимер-полимер.

В настоящее время на сетях связи наиболее широко используются кварцевые волокна, которые, по сравнению с полимерными, обладают существенно меньшим затуханием.

Рис. 1.1. Конструкция оптического волокна.

Оболочка ОВ (световода) покрыта защитно-упрочняющим покрыти­ем из акрилатного лака. Акрил делает волокно более эластичным и менее хрупким к механическим повреждениям. Поверх акрилового по­ры 1ин наносится краска, обеспечивающая идентификацию номера волокна, согласно паспорту на оптический кабель.

Значение показателя преломления сердцевины п1 несколько превышает показатель преломления оболочки п2. Для обеспечения раз­ами показателей преломления материал сердцевины слабо легируют германием (Ge) или другими добавками.

Физические основы передачи оптического излучения по волоконным световодам

Существуют два наиболее известных классических подхода для описания процессов распространения оптического излучения по волоконным световодам: волновая и лучевая теории.

Согласно волновой теории, свет представляет собой электромагнитную волну. В основе лучевой теории лежит представление света в виде потока быстро движущихся корпускул (мелких частиц), которые излучаются отдельными порциями (квантами) и формируют луч света Подобный подход позволяет использовать элементы геометрической оптики для описания физических процессов в оптических волокнах.

Передача оптического излучения по световоду осуществляется за счет свойства полного внутреннего отражения, которое обеспечивается неравенством показателей преломления сердцевины и оболочки n1>n2, при этом среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной средой.

преломленный Рис. 1.2. Падение световой волны на границу раздела двух сред.

В соответствии с законами геометрической оптики, при падении луча света на границу раздела двух сред с показателями преломления n1 и n2 в общем случае появляются преломленная и отражение волны (рис. 1.2). Угол падения θ1 равен углу отражения θ3, а углы падения θ1 и преломления θ2 связаны соотношением, известным как закон Снеллиуса [55, 56]:

(1.1)

При переходе светового луча из оптически более плотной среды в менее плотную (n1 > n2) из (1.1) следует, что θ2 >θ1. По мере увели­чения угла падения со стороны оптически более плотной среды, можно достичь такого состояния, когда преломленный луч начинает скользить вдоль границы раздела сред без перехода в оптически ме­нее плотную среду (рис. 1.3). Угол падения, при котором наблюдается такой эффект, называется предельным углом полного внутреннего отражения.

луч, преломленный Рис. 1.3. Полное внутреннее отражение.

Для всех углов падения, которые превышают предельный, будет иметь место только отражение, преломленная волна будет отсутство­вать. Это явление называется полным внутренним отражением. Условием отсутствия преломленного луча является:

θ₂ =90˚ sin θ₂ = 1 (1.2)

Условие полного внутреннего отражения вытекает из закона Снелпиуса (1.1):

(1.3)

Угол падения, при котором выполняется условие полного внутрен­него отражения, называется критическим углом падения и определяется из выражения (1.3):

(1.4)

n2 θA = arcsin —. n1 Рис. 1.4. Понятие апертуры оптических волокон.

Явление полного внутреннего отражения определяет условия ввода излучения в световод и характеризуется апертурой оптиче­ского волокна. Апертура - это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения (рис. 1.4.). Также пользуются понятием числовой апертуры [16]:

(1.5)

На сетях связи используются слабоапертурные волокна, у которых показатели преломления отличаются незначительно - единицы про­центов и менее [48].

1.1.3. Типы волн, распространяющихся в оптических волокнах

Излучение внешнего источника, падающее на входной торец воло­конного световода, возбуждает в нем несколько типов волн, называе­мых модами. Тип моды определяется сложностью структуры, т.е. чис­лом максимумов и минимумов поля в поперечном сечении. Различа­ют моды направляемые, вытекающие и излучаемые [55, 56].

К направляемым относятся моды, которые распространяются вдоль сердцевины волокна и обеспечивают передачу информации (лучи 1 и 2 на рис. 1.5). Направляемые моды возбуждаются теми лу­чами которые падают на торец волокна под углом, не превышающимапертурного θ_А. В этом случае энергия светового излучения концен- трируется в сердцевине световода и практически не излучается во вне.

Лучи, падающие на торец волокна под углами, существенно превышающими θА, достигают границы раздела сердцевина/оболочка и за счет преломления в оболочку теряют часть энергии, испытывая при этом большое затухание (луч 3 на рис. 1.5) Эти моды называются вытекающими.

Рис. 1.5. Классификация мод, распространяющихся в оптических волокнах.

При падении лучей под углами, существенно превышающими θ_А, часть из них достигает внешней поверхности оболочки и излучается в окружающее пространство (луч 4 на рис. 1.5) Такие моды называются излучаемыми. Излучаемые моды возникают также в местах неоднородностей световодов (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Влияние неоднороднородностей световода на появление излучаемых мод.

В общем случае в оптических волокнах на одной длине волны (частоте) могут существовать несколько типов мод, которые отличаются структурой электромагнитного поля и скоростью распространения [ 16,55]

Т-волны или поперечные электромагнитные волны не содержат продольных составляющих электромагнитного поля (Ez=0 и Hz=0);

Е или ТМ-волны –волны, не имеющие продольной составляющей магнитного поля (Нz=0). Такие волны называются электрическими или поперечно-магнитными, при этом вектор напряженности электрического поля имеет и поперечную, и продольную составляющие;

Нили ТЕ-волны- для этих волн характерно отсутствие продольной составляющей электрического поля. Данный тип волн также называют магнитными волнами или поперечно-электрическими;

LE-волны продольно-магнитные волны, у которых в поперечном сечении присутствует только одна составляющая электрического поля;

Гибридные волны НЕ или ЕН– для этих волн характерно наличие всех шести составляющих электромагнитного поля с преобладанием в поперечном сечении той или иной составляющей: НЕ- магнитной, а ЕН- электрической, соответственно.