А.Г. Мурадян,
И.С.Гопьдфарб, В. П. Иноземцев •
оптичесние
НАБЕЛИ
многоканальных
"'
пинии связи
C:Jvt~j9
/';\ g1

J'дК 621.391.63
Мурадян А. Г. и др. Оптические · кабели многоканальных линий связи f
А. Г. Мурадян, И. С . Гольдфарб, В. П. Иноземцев . - М.: Радио и связь, 1987. -
200 с.; ил.
Рассматриваются вопросы теории, конструирования и применения оптиче­
ских кабел<: .ч для многоканальных линий связи. Описываются особенн ости рас­
пространения излучения по световодам и их характеристики. На основе анализэ
условий прокладки и эксплуатации формулируются основные требования к оп­
тическим кабелям. Приводятся основные характеристики и параметры различ­
ных типов конструкций кабелей. Анализируются элементы конструкций и изла ­
гаются методы их расчета. · Уделяется внимание влиянию на оптические кабели
внешних факторов. Рассматриваются особенности производства оптических кабе­
,1ей. Излагаются методы измерения параметров оптических кабелей, методы их
прокладки и монтажа.
Для научных работников, занимающихся разработкой и проектированием
оптических линий связи .
Табл. 11. Ил. 101 . Библиогр. 123.
Рецензент: А. Г. Шереметьев
Редакция аитературы по электрической связи
Аnи1щ:оааое п;овз.~_од.стве■■ее
им . 5Q.JieTИJI Октябр!I
2402040000 - 035
М -------29-87
046(01 )-87
© Издательство «Радио и связь;,,; 1987

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
Введение
В.!. Особеиноспr" построения волокои и о-оптических систем передачи для
сетей связи общего пользова н ия
В.2. Световод как направляющая система
В.3. Характеристики световодов, используемых в кабелях для многока­
нальных систем передачи
Гл а в а 1. Параметры оптических кабелей
1.1. Основные параметры кабелей, определяющие область их применения
на общегосударственной сети связи . . .
1.2. Технические требования к оптическим кабелям
1.3 . Система параметров оптических кабелей
.
Гл а в а 2. Особенности конструкций оптических кабелей
2.i . Факторы, воздействующие на оптический кабель при прокладке, мон­
таже и эксплуатаuии. Основные требования к его конструкции
Внешние воздействия на кабель . . . .
Требования к конструкции оптического кабеля
2 .2 . Элементы конструкции оптического кабеля
.
Световод как элемент конструкции
Влияние связи мод в нерегулярном световоде на его характеристики
передачи
Оптический модуль
Упрочняющие элементы . . . .
2.3 . Типы конструкций оптических кабелей
Г л а в а 3. Особенности технологии изrотовле.ния оптических кабелей
3.1 . Основные элементы технологии изготовления оптических кабелей
3.2 . Изготовление волоконных световодов
Процесс вытягивания световодов из заготовок . . .
Факторы, влияющие на механическую прочность волокна
Нанесение защитно - упрочняющих оболочек на волоконный светово д
3.3 . Скрутка волоконных световодов
.
.
3.4 . Наложение внешних защитных покрытий
Гл а в а 4. Устойчивость оптических кабелей к внешним воздействиям
4. 1. Влияние клv.матических и механических воздействий на оптические
кабели .
4.2 . Влияние радиации на оптические кабели
Г л а в а 5. Методы контроля и измерения параметров оптических кабелей
5.1. Контроль и измерение параметров оптических кабелей на различных
этапах их создания и построения линий связи
5.2. Методы измерения затухания
.
5.3. Измерение характеристик передачи световодов
5.4. Измерение оптических и геометрических характеристик
Измерение профиля показателя преломления
Измерение апертуры
Измерение диаметра поля моды одномодовых световодов
Измерение длины волны отсечки . . . . .
5.5. Методы измерения механических характеристик
.
Гл а в а 6. Вопросы прокладки и монтажа оптических кабелей
6.1 .
6.2 .
Методы прокладки оптических кабелей . . . . .
Прокладка оптических кабелей в различных условиях .
Действующие силы и деформация кабелей при прокладке
Способы монтажа .
.
.
Потери при соединении световодов
Методы сращивания и защитные муфты
Список литературы
3
4
5
5
6
26
30
30
33
36
38
38
38
44
49
49
62
70
86
90
102
102
103
103
105
108
119
126
131
131
136
143
1'43
i44
154
·1'60
160
166
167
169
171
176,
176;
176;
182
189
189,
191
194

ПРЕДИСЛОВИЕ
Оптические системы связи благодаря целому ряду достоинств
могут дать существенный технико-экономический эффект при ре­
шении задач дальнейшего развития сетей связи. Обладая высокой
помехозащищенностью, огромной пропускной способностью .и боль­
шой протяженностью участков регенерации, эти системы уже в
настоящее время способны конкурировать с системами связи на
электрических кабелях.
В предлагаемой читателю книге излагаются сведения по тео­
рии и практике создания и применения оптических кабелей. Пред­
принята попытка осветить наиболее важные вопросы, связанные с
конструированием, разработкой, производством и использованием
оптических кабелей в многоканальных линиях связи . Введение
знакомит с особенностями распространения энергии и передачи
сигналов по световс;дам. Изложение здесь ведется в рамках элек­
тродинамики на примерах регулярных световодов. Исходя из усло­
вий прокладки, монтажа и эксплуатации определены требования к
конструкции кабеля и проведен анализ различных типов конструк­
ций. Описаны основные элементы конструкции оптических кабелей
и методы выбора и расчета их параметров. Приведенные методы
базируются главным образом на традиционных методах теории
упругости и сопротивления материалов. Для получения наиболее
полной картины практической реализации оптических кабелей в
книге описаны особенности их производства, возникающие при
этом проблемы и технические решения. Большое внимание в книге
уделено измерению и 1<онтролю параметров оптических кабелей
на различных этапах создания линий связи. Преследуя цель -
помочь читателю в выборе нужного метода измерений согласно
конкретным условиям его практическои деятельности, в большин­
стве случаев описываются несколько методов измерения каждой
характеристики или параметра кабеля, проводится их сопоставле­
ние и отмечаются достоинства и недостатки.
В книге рассмотрены также некоторые вопросы сооружения ли­
ний связи. Описываются и анализируются различные методы про­
кладки и монтажа оптических J<абелей.
Введение и гл. 4 написаны А. Г. Мурадяном, и И. С . Гольдфар­
бом, гл. 2, 5 и 6- И. С. Гольдфарбом, гл. 3- В. П. Иноземцевым,
гл, 1 -- совместно всеми авторами.

ВВЕДЕНИЕ
В.1 . ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
ПЕРЕДАЧИ ДЛЯ СЕТЕИ СВЯЗИ ОБЩЕГО ПОЛЬЗОВАНИЯ
Разработка волоконно - оптическю.: систем передачи и их опыт­
ная эксплуатация на сетях связи общего пользования началась в о
второй половине 70-х годов . Полученные результаты теоретиче­
ских и экспериментальных исследований позволили оценить техни ­
ко-экономические параметры и эксплуатационные характеристики
таких систем, а также определить условия их применения на раз ­
личных участках общегосударственной сети связи.
IIервоначально в этой новой отрасли техники связи использо­
вались световоды (оптические волокна) на основе многокомпо­
нентных стекол. К 1970 г. были созданы световоды с потерями
около 20 дБ/км, чго до настоящего времени считается достаточно
хорошим практическим достижением для световодов такого типа .
Однако на сетях связи общего пользования системы передачи с
применением световодов из многокомпонентных стекол не нашли
применения из - за больших потерь в световодах .
Малые потери (0,5 ... 5 дБ/км) были достигнуты в световодах ,
изготовленных из кварцевого стекла методом химического осажде ­
ния из газовой фазы . Появление кварцевых световодов стим у лиро­
вало развитие новой компонентной базы для систем передачи~
передающих и приемных устройств, согласованных по своим пара ­
метрам с характеристиками кварuевого волокна. Таким образом ,
появились основы для развития новых технических средств переда ­
чи информации с использованием кварцевых световодов - оптиче­
ских кабелей. Для этих средств передачи информации х арактерны
следующие особенности:
малая металлоемкость линий передачи и отсутствие дефицит­
ных цветных металлов (медь, свинец) в кабеле . По предваритель ­
ным данным на каждую тысячу телефонных абонентов экономи я
цветных металлов составляет 7 т. Основным сырьем для производ ­
ства световодов является двуокись кремния;
высокая защищенность от внешних электромагнитных полей,
вследствие чего не требуется применение специальных мер защи­
ты от опасных напряжений линий электропередачи и электрифици~
рованных железных дорог, а также от действия организованных
помех от средств связи, оповещения и управления ;
отсутствие излучения во внешнюю среду, что практически ис­
ключает возможность несанкционированного доступа к передавае ~
5

мой информации и гарантирует скрытность передачи без примене­
ния специальных средств;
малое значение коэффициента затухания в широкой полосе ча­
стот (в несколько десятков раз меньше, чем в кабелях с металли­
ческими жилами), что обеспечивает · высокую пропускную способ­
ность волоконно-оптических систем передачи и большие длины ре­
генерационных участк9в (10 ... 50 км вместо 1,5 ... 6 км на кабелях
с медными жилами). Такие длины участков практически всегда
позволяют на местных сетях связи при организации межстанцион­
ных соединительных лнний располагать линейные регенерqторы в
зданиях АТС и отказаТI:ся от необходимости организации дистан­
ционного питания, при этом исключаются трудоемкие работы по
монтажу, настройке, эксплуатации и ремонту необслуживаемых
регенерационных пунктов;
малые габаритные размеры и масса: 1 км световода имеет
массу порядка 40 ~ в то время как коаксиальная медная трубка
такой же длины, выполняющая аналогичные функции, имеет массу
несколько сотен килограмм;
большая строительн~1я длина кабеля, обусловливающая умень­
шение числа промежуточных станций и соответственно увеличение
надежности сети связи.
Перечисленные достоинства оптических кабелей предопределя­
ют и технико-экономическую эффективность их применения на
всех участках общегосударственной сети.
К настоящему времени накоплен определенный опыт как в про­
изводстве оптических кабелей, так и в области строительства,
монтажа и эксплуатации во.'lоконно-оптических систем передачи.
Во многих странах эти системы передачи в течение нескольких
лет находятся в постоянной коммерческой эксплуатации на сетях
общего пользования. Это позволило уточнить требования к компо­
нентам волоконно-оптических систем передачи и, в частности, к
оптическим кабелям.
Практика показала, что методы конструирования, расчета и
технологии производства, разработанные в совершенстве для кабе­
лей с м ~таЛJrическими жилами, не могут быть в полной мере при­
менень1 к оптическим кабелям. Это связано с тем, что механиче­
ские свойства световодов, их размеры, физические характеристи­
ки, а следовательно, и допустимые значения параметров воздейст­
вующих факторов заметно отличаются от тех, которые имеют
кабели с металлическими жилами.
В.2. СВЕТОВОД КАК НАПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА
Направляющие системы - это устройства непрерывной конст­
рукции, позволяющие передавать электромагнитную энергию в
требуемом направлении. Таким свойством обладает любая грани­
ца раздела сред с различными электрическими характеристиками.
В световодах канализирующие свойства определяются границами,
которые искусственно создаются между слоями диэлектрика (сте-
6

кла) путем скачкообразного
или плавного изменения в по­
перечном направлении показа­
теля преломления. На рис. В.1
представлены поперечные се­
чения наиболее распространен­
ных типов цилиндрических све­
товодов.
Фундаментальные нвления,
происходящие в световодах
при распространении света, в
настоящее время достаточно
изучены и довольно широко
освещены в литературе [B.l-
B.14]. Предполагается, что в
известной мере читатель зна­
ком с этими вопросами. В этом
разделе рассматривается круг
Рис . В.1. Типы световодов:
а - ступенчатый многомодовый; 6 .-
ступенчатый одномодовый; в - гра­
диентный многомодовый
вопросов, ознакомление с которыми будет содействовать успешно­
му чтению последующих разделов книги.
Электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль направ­
ляющих систем, называют направляемыми. Такие волны не долж­
ны излучаться в поперечном направлении, а их поле в основном
сосредоточено в направляющей системе. Анализ направляемых
волн в световоде обычно начинают с решения волнового уравнения,
получаемого из уравнений Максвелла. В предположении неизмен­
ности в пространстве диэлектрической постоянной в или по мень­
шей мере его малого изменения на расстоянии порядка длины
волны света для каждой компоненты электрического Е или маг­
нитного Н полей волновое уравнение имеет вид:
а2,1,
y'2,f1 = &;IL _
'f_
'1'
гдt2'
(В.1)
где 'ljJ представляет Е или Н; V - оператор Лапласа; μ - магнит­
ная проницаемость.
Для целей связи наибольший интерес представляют слабона­
правляющие световоды (волокна), удовлетворяющие условию
:Л~l,
(В.2)
где
(В.3)
n1
n1 и n2 - показатели преломления сердечника и оболочки соот­
ветственно.
Поля направляемых мод слабонаправляющих волокон очень
близки к линейно-поляризованным. Поэтому некоторые прибли­
женные решения задачи с направляемыми модами слабонаправля­
ющих волокон со ступенчатым показателем преломления были
названы LР-модами, чтобы подчеркнуть линейный характер их по-
7

ляризации. Пользуясь понятием LР~мод, можно упростить матема­
тическое рассмотрение и получить простые уравнения с прибли­
женными собственными значениями для направляемых мод из
скалярного волнового уравнения для поперечных компонент элек­
трического поля. Таким образом, LР-моды не являются точными
модами волокна, но они могут быть определены как локализован­
ная линейная суперпозиция мод НЕ и ЕН, точно описывающих
круглый световод.
При условии (В.2) волны сердечника распространяются под
очень малыми углами к оси волокна, т. е. почти как однородные
плоские волны. Поля этих волн практически поперечны. Для по­
перечной компоненты электрического поля LР-мод световода со
ступенчатым показателем преломления решение волнового урав­
нения (В . 1) в цилиндрических координатах r, (J), z имеет вид [В.15]:
Ех=
sln v<p
(В.4)
!
Eal,(x.r) (cos v<p) e-1
~gz для r<а,
Еа J,(x.a) K,((r) (cosv<p\ e - l ~gz для r>a.
К, ((а)
sin v<p)
Здесь временная зависимость е iwt опущена. Величины J, (х) и
К, (х) являются функциями Бесселя и модифицированными функ­
циями Ханкеля v-ro порядка. Постоянная распространения напра­
вляемых мод ~; имеет конечное число возможных значений, ле-
жащих в пределах n2k < 1~ g 1<n1k.
Поперечная компонента вектора распространения
х. =Vnik2- ~~'
а параметр поперечного затухания в оболочке
(=V~~ - n~k2•
в сердечнике
(В.Ба)
(В.56)
Сумма квадратов этих величин определяет нормализованную ча­
стоту
V=аУх_2+(2= kaVп~- п~ ,
где k ~ постоянная распространения плоских волн в
радиус сердечника световода.
Параметр амплитуды Еа в (В.4), выраженный
ность Р, передаваемую модой, можно определить по
где е,={~
Е2=
4 (f10/eo)1 12 (2Р
а rce,n 1V 2 !f, _1(x.a)l,+1(x.a) 1 '
для
для
v=O,
'1 =I= о.
(В.6)
вакууме; а­
через мощ­
формуле ·
* Индекс g указывает, ч10 В относится к направляемым модам. Поскольку
изложение последующего материала посвящено в основном этим модам, то он
далее будет опущен.
8

Для световодов с градиентным показателем преломления вида
п(г)={п1[1- 2(r/a)gл]1i2 для r<а,
(B.7r
п2
для г>а
весьма эффективным аналитическим методом получения прибли­
женных решений является ВКБ-метод. Название этого метода свя­
зано с именами Вентцеля, Крамерса, Бриллюэна. Иногда его на ­
зывают методом фазовых интегралов или квазиклассическим при -­
ближением. Метод был введен для получения приближенных ре­
шений волнового уравнения Шрёдингера в квантовой механике.
Он также нашел широкое применение в теории световодов. Дан­
ный метод приемлем, когда показатель преломления изменяется
незначительно на расстоянии порядка длины волны, что при усло­
вии (В . 2) практически всегда вьшолняется . Он дает хорошие ре­
зультаты в большинстве областей за исключением так называемых
поворотных точек световых лучей. Лучевая теория градиентных
волокон показывает, что световой луч не достигает каждой точки·
внутри сердечника волокна, а остается между двумя ограничива -­
ющими поверхностями - каустиками. Луч отклоняется, пока он не·
достигает точки наибольшего отклонения от оси волокна - точка
поворота r 2 на каустике. То же происходит в точке r 1 на внутрен­
ней каустике вблизи оси волокна. Пространство между каустика­
ми - это область осциллирующего поля. В области каустик можно ·
получить точное решение для поля, в области же точек поворота
ВКБ-решение имеет полюсы. Эту трудность обходят линейной•
аппроксимацией фактического профиля показателя преломления
вблизи поверхности каустики, получая тем самым приближенное·
решение волнового уравнения . Затем это решение может исполь­
зоваться для объединения двух отдельных решений с помощью
требования о непрерывности поля .
Поперечную компоненту электрического поля можно получить­
В КБ-методом в следующей форме [В.16]:
Ех=-1 [A1(r)eiSИ+A2(r)e-iS(r)](cosvrp)e-Ф. (В.8),
2
\ sin v<p
Подстановка (В.8) в волновое уравнение и пренебрежение вто­
рой производной А; (r) по r дает приближенное решение для функ­
ции амплитуды Aj(r) и функции фазы S(r) . В области r1<r<r2-
между каустиками:
А1(r) =А2(r) =Еа/{[(п(r)k)2 -
~2] r2 - v2}114,
г
dг
1t
S(r)= j'{[(n(r)k)2-~2]r2-v2}1/2r _4 '
где амплитудный коэффициент Еа может быть представлен в виде :
Е~ = 4 (f-L 0/e0}112 P/(1tn 1a2/),
r,/a
I= S {[(n(ax)k)2 -~
2]a2x 2 -v2}-1t2 xdx.
r,/a
9

В области внутренней каустики (r<r,) поле монотонно исчезает
tПО направлению к оси волокна:
А2(г) =О; А1(г) =Еа/{v2- [(п(r) k)2 -
~2] r 2}1t4,
•
r,
dr
S(г)=i S{v2-[(п(r)k)2 -
~
2] r2} 1i2 r.
r
Вне наружной каустики (r>r2 ) поле исчезает монотонно при
уда л ении от оси волокна и описывается выражениями
А2(r) =О; А1(г)= Eaei~"/{v2-- [(п(r)k)2-
~2] r2} 114,
r
dr
S(r)=i S{v 2 -[(n(r)k)2 - ~
2 ]r2}1i2 ,: -,
f!,= !, 2, 3, ...
r,
Постоянная распространения ~ является важной характери­
.~ти к ой распространяющихся по световоду мод . Она определяется
и з. у равнения для собственных значений (характеристического
уравнения), учитывающего граничные условия , требующие непре­
,рывность поперечных и продольных компонент электрического по­
.ля н а границе « сердечник - оболочка». Точные решения для по­
лей мод типа НЕ и ЕН и аксиально-симметричных мод дает
-.сл ожное выражение характеристического уравнения в случае дву­
..слойного световода. Для LР-мод характеристическое уравнение
имеет простую форму [В.4]:
х 1,+1 (ха) =~ Kv+I ((а) .
(В.9)
J, (ха)
К, ((а)
Данное уравнение определяет пару значений х и ~.
описыва­
,ющих в уравнении (В.4) поперечное распределение поля. Так как
~ и ~ связаны с ,~ соотношениями (В . 5), то из решения характери­
,стического уравнения находим ~-
Решение для всех значений v
и ~t ( кроме v = О и μ = 1; μ - радиальное модовое число) описыва­
• ется приближенным выражением
И= Ис ехр {[arcsin (S/ Ис) - arcsln (S/V)]/S}.
:Здесь И=ха, S=(V~ - v2-1) 1l 2• Величина Ис= Иv-1,μ. является
·,г раничным значением LP•. μ.-мод и определяется
из уравнения
J,-1 (Ис) = О.
Для практики постоянную распространения удобно предста­
,в ить в нормализованной форме:
_
u2 _ (~/k}2--п~ ~(~/k)- n2
Ьн-1-
--
-
2
2 ~----•
V2
nl-
n2
n1--n2
В частности, для основной моды LP01 (v=O, μ=1) из приближен­
:ного решения уравнения (В.9) получаем следующее значе•
::н ие [В.17]:
Ьн=l - (3+2V2)[!+ (4+V4Jli4J-2.
На рис . В.2 представлена зависимость нормализованной посто­
:Я нной распространения от V-нормализованной частоты (см. (В.6)).
10

Из рисунка видно, что каждая г-----------===::::~
Ьн
мода может существовать только
для тех значений V, которые пре­ о,е
вышают определенное значение
Vc для данной моды, называемое
u
u
О,б
критнческои частотои, или часто-
той отсечки. Условием существо­
вания одной основной моды о,ч­
LР 01 (НЕ 11 ) является V с-<2,405.
с
O,Z
ледует, однако, помнить, что
дан_ная мода имеет две поляри-
зации.
0
z
б
8
Ниже своего граничного значе­
ния нормализованной частоты Vc
(частоты отсечки) мода не пре­
к ращает резко существование.
По мере приближения V к зна-
Рис . В.2. Зависимость постоянной
распространения LР-мод от норма­
лизованной частоты · (цифры - индек-
сы мод)
чению V с каждая мода транс-
.
формируется в вытекающую моду . При V> Vc напряженность
поля моды уменьшается экспоненциально вдоль радиуса волокна
вплоть до поверхности внешней каустики . За пределами этой по­
верхности поле осциллирует с возрастающей амплитудой по мере
удаления от оси волокна, вследствие чего часть мощности теряется
из-за утечки в оболочку. Моды такого типа получили название вы­
текающих. Некоторые вытекающие моды имеют относительно низ­
кие потери и могут распространяться на значительные расстояния
вдоль волокна [В . 17]. Если мода перестает быть направленной, то
~ = 0 или ~=n2k, и, таким образом, нормализованная постоянная
распространения Ьн = О.
Выражение для постоянной распространения LР,, μ-МОд в гра­
диентных волокнах с профилем (В.7) получено в [В.18]:
2g
,.
-
пk{1- [ 7t,,2(2р+'1 +i)r(З/2+ I/g)]g+2(2д)g}2}1,2
(В.10)
,у,,μ -
1
n1kaГ(\+l/g)
'
где p = ~t -1=0, 1, 2, ... ; Г(g)-гамма-функция . В частности, для
параболического профиля показателя преломления (g=2) из
{В . 10) можно получить
~,,1, =n1kl----(2р+ '1+1) .
{
2 (2Л)l/2
}1/2
n 1ka
(В .11)
Выражение (В.11), полученное В КБ-методом идентично результа­
ту, полученному при точном решении волнового уравнения для па ­
раболи 1 1 еско г о профиля п оказателя преломления [В. 1] . Однако сле­
дует помнить, что (B. l 1) годно лишь для LР-мод и что при его
выводе не учитывалось влияние ограниченности радиуса сердечни­
ка волокна.
Воспользовавшись понятием единого модового числа М = 2р +v
для i-й моды град и ентного волокна, можно получить простой вид
вырюкения (В . 11):
11

(В .12)
где i~ (2р+v+1) 2 -квадрат единого модового числа .
Величина N представляет собой полное число направляемых
мод :
(8 .13),
Для волокна с параболическим профилем показателя преломления
g=2 и тогда :
л•- 1(k)~
-
у2
1v_
-
п1ал_
-
.
2
4
(В.14)'
При ступенчатом профиле показателя преломления g = oo полу ­
чаем
N= (n1ka) 2Л.
Число мод определяет способность световода «принимать »
свет . Чем больше N, тем больше световой энергии можно ввести
Е светово д от источника. Таким образом, можно считать, что све­
товод с параболическим профилем «принимает» только половину
энергии, которую можно ввести в световод со ступенчатым про­
филем пока з ателя преломления .
Способность световода «принимать» световую энергию в луче ­
вой трактовке характеризуется числовой апертурой NA, представ­
ляющей собой синус максимального угла 8пр падения лучей на то­
рец с в етовода , который еще соответствует направляемым модам :
(В.1 ,5а ),
где Uпр - максимальный угол преломления луча в световоде , со ­
ответствующий 0пр -
Если показатель преломления сердечника изменяется плавн о
вдоль радиуса , то
NА= sinепр =п1(r)sintJпp(г) =Vп~(г)- п~. (В.156)
Данное выражение называют локальной числовой апертурой . Мак ­
симальное значение оно принимает на оси световода (r = О) и соот­
ветствует при эт о м числовой апертуре, определенной выражением
(В . 15а) . При Л«l числовую апертуру можно аппроксимировать
выражением
(В.16)
Используя выражение (В.16), можно показать, что (В.13) и
(В.14) принимают соответственно вид
N=g~2(rcNА:)
2
иN =2(rcNА : )
2
,
откуда видно, что между числом мод и числовой апертурой
имеется определенная связь.
12

Перейдем к рассмотрению одного из основных параметров све­
товода - затуханию. Полные потери в световоде определяются по­
терями в материале и потерями, связанными со структурой свето­
вода. Потери в.. материале световода вызваны поглощением и рас­
-сеянием. М.еханизмов, вызывающих поглощение и рассеяние, не­
сколько. Поглощение определяется собственным поглощением в
ультрафиолетовой области, обусловленным электронными полоса­
ми поглощения, поглощением примесями ионов металлов и ионов
гидроксильных групп и инфракрасным решеточным поглощением.
Рассеяние же вызывается как линейными, так и нелинейными эф­
фектами. Фундаментальным линейным эффектом является молеку­
Jrярное рассеяние Рэлея, обусловленное микролокальными флукту•
ациями показателя преJюмления, возникающими из-за беспорядоч­
ности молекулярной структуры вещества . Рэлеевское рассеяние
меняется пропорционально J,- 1
.
Другим видом рассеяния является
рассеяние на неоднородностях размерами порядка длины волны,
имеющее характер рассеяния Ми. Еще одной формой рассеяния
является рассеяние, обусловленное флуктуациями соста­
ва окислов, входящих в состав стекла. Поэтому данная форма
JJассеяния присуща в основном многокомпонентным стеклам .
К нелинейным эффектам рассеяния относятся рамановское спон­
-танное и стимулированное комбинационное излучение и мандель­
штам-бриллюэновское стимулированное излучение. Эти эффекты
появляются при определенных пороговых уровнях мощности . Бла­
годаря малым размерам сердечников световодов и большой длине
взаимодействия распространяющейся энергии с материалом све­
-товода указанные эффекты наблюдаются при относительно невы­
.соких уровнях мощности.
Потери на рэлеевское рассеяние и собственное поглощение хи ­
мически чистых материалов вместе представляют собой нижний
предел потерь, которого можно достичь в ма11ериалах в идеальных
условиях . В •настоящее время технология изготовления заготовок
волокна доведена до такой степени совершенства , что результиру­
ющие потери в материале заготовок определяются главным обра ­
зом рэлеевским рассеянием и инфракрасным поглощением .
На рис . В . З приведена спектральная завirсимость потерь в оп­
тическом волокне, изготовленном из германосиликатного стекла
[ В.19]. Минимальные потери на длине волны 1,55 мкм составляют
0,2 дБ/км. На рисунке показаны также спектральные распределе­
ния потерь, обуслонленных различными механизмами затухания.
Как видно из рисунка, в длинноволновой области спектра имеют­
•ся два щша прозрачности - на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм.
Для вычисления полных потерь световода необходимо просум ­
мировать потери каждой моды, зависящие от структуры световода
в потерь в материале, из которого он состоит. С этой целью необ­
ходимо определить потери каждой направляемой моды. Выше бы­
.ли рассмотрены некоторые характеристики идеальных световодов
б ез каких-либо потерь. Понимание модовых характеристик иде­
.альны х световодов является основой для анализа реальных свето-
13

d,
дБ/км
10
5
0,5
0,1
0,05
0,01 L......_ __ J_ _- ---1. ._
_. L._
_,_____J__
_J__--'--'--"""'--'----'-__,
0,7 0,8 o,g 1,0 1,1 1,Z 1 ,3 1,'r 1,5 Т,б ~,мкм
Рис. В. 3 . Спектральные зависимости потерь одномодо­
вого световода, легированного германием:
1 - экспериментальная кривая; 1 - инфракрасное поглощение:
3 - потери на волноводных неоднородностях ; 4 - уьтрафнолето­
вое поглощение; 5 - рэлеевское оассеяние
водов, ма·териалы которых имеют потери. Учет различных видов
потерь в материале обычно производят введением эффективного
коэффициента поглощения, т . е. мнимой составляющей п" комп-
лексного показателя преломления n1 = n 1 - jп;. Таким образом.
вместо вещественных волновых чисел п 1 k имеем комплексные вол­
новые числа n1k - ja. 1, где а.1 = п;k- постоянная затухания пло -
ской однородной волны в области i. Практическое значение имеют
световоды с малыми потерями, у которых а. 1 « n1k .
Поперечное распределение поля направляемых мод таких све­
товодов изменяется лишь незначительно по сравнению с его рас ­
пределением при отсутствии потерь, а поперечные волновые пара­
метры х, и ~ в сердечнике и оболочке мало отклоняются от их ве ­
щественных и положительных значений. В этом случае задача на ­
хождения потерь каждой моды упрощается, так как можно ис ­
пользовать ранее полученные значения компонент поля для иде ­
альных световодов.
Затухание моды может быть выражено как отношение теряе­
мой на единице длины световода мощности ЛР к мощности Р,
которая передается модой . волокна:
2а.= 'ЛР/Р.
(В.17}
Решая характеристическое уравнение слабо направляющего во­
локна, у которого показатели преломления сердечника и безгра­
ничной оболочки незначительно отличаются друг от друга, а по ­
стоянные затухания в материалах соответственно равны а 1 и а2 ,.
получаем выражение [В . 3]
а= (О;а. + хR;а.2)/(й: + xR:) .
(В.18)
14

Здесь производные от комбинаций Je (ах) и Rе (а~) функций Бес­
селя и модифицированных функций Ханкеля имеют вид:
л
le-t(ах) [
1; (ах) ]
J: (ах)= axle+1 (ах) l- le-1(ax)le+1(ax) '
л,,
Ке-1 (а~) [
К~ (а()
]
I<e (a(J =
А~К,(~)К(')-1•
а~e+I(а) _е-1а
e+I а.
Можно показать, что первое и второе слагаемые в (В.18) пред­
ставляют собой (Р1/Р)а1 и (Р2/Р)а2, где Р 1 и Р2-части полноЙ'
~iощности Р, переносимые модой в сердечнике и оболочке соот ­
ветственно. Следовате,'Iьно, для слабонаправляющего световода.
состоящего из двух различных областей в поперечном сечении, за ­
~ухание моды
а = (Р1/Р) а1 +(Р2/Р)а2•
Таким образом, потери в материалах сердечника и оболочки дают­
вклад в затухание направляемой моды пропорционально частям
мощности, переносимой каждой областью.
Исходя из общих энергетических соображений, можно пока ­
зать, что в случае свотовода с несколькими различными областя­
ми в поперечном сечении с постоянными затухания а; затухание
направляемой моды можно представить в более общем виде :
a=LJ(a;P1)(P,
(8.19)
где Р; - мощность, переносимая модой в области i; Р- полная
мощность, переносимая модой.
Из (В.19) можно заключить, что в случае, когда постоянные
затухания материалов всех областей поперечного сечения свето­
вода одинаковы и равны а 1 , затухание направляемой моды равно
постоянной затухания материала, т. е . а = а 1 . Такое же затухание
испытывают моды слабонаправляющего световода далеких от от­
сечки даже в случае, когда постоянные затухания материалов сер­
дечника и оболочек разные. В этом случае поля мод почти пол ­
ностью ограничиваются сердечником и, как следствие , мода испы ­
тывает затухание -""а 1 • Простое приближение для затухания лю­
лой моды (за исключением L.P 0 ,) вблизи и вдали от отсечки дает
выражение [В . 3]
а2х2
а=а1+ (а.2- а1)
____....;.;..____
v2 (а2с2 + '12 + l)1,2
На практике важно уметь оценивать увеличение модовых по ­
терь, вьiзываемых защитным покрытием с потерями, которое на­
ряду со своим прямым назначением -упрочнением световода ис ­
пользуется для подавления нежелательных волн , распространяю ­
щихся в оболочке, и уменьшения переходных влияний между во­
локнами в кабеле .
Мощность, теряемая в защитном покрытии бесконечной тол ­
щины,
15

(Е)1/2 21t
оо
др=n0 -
0
-
а3 JdФ Jг\ E\2 dr,
110
ОЬ
(В.2O)
rде Ь - радиус световода (внешний радиус отражающей оболоч­
ки); 1Е 1- модуль электрического вектора модового поля. Пред­
полагая для простоты, что действительная часть комплексного по­
казателя преломления материала защитного покрытия идентична
показателю преломления оболочки, а мнимая часть намного мень­
ше его действительной части, можно допустить, что распределение
поля мод световода с защитным покрытием с потерями в доста­
точной степени идентично распределению поля мод световода с
покрытием без потерь, имеющего радиус Ь-+оо. Поэтому для вы­
числения затухания направляемых мод, вызванного покрытием,
можно с незначительной погрешностью использовать приведенные
выше выражения для модовых полей, подставив их в (В.17) и
(В.20). Для световода со ступенчатым показателем [В.17]
а _а3Ь2х2
v2+a2c2
{ [ (v2+a2c2)1/2_v][(v2+ь2c2)1/2+v]}'
-
v2 (v2+ь2(2)[ 1+(v2+a2c2)1J2] [(v2+ь2c2)112_v ][(v2+a2c2)112+ v] Х
Х ехр {-2 [('i2 + ь2с2)112 _ (v2 + а2(2) 112]}.
(В.21)
Данная формула дает верхнюю границу затухания мод, вы­
званного защитным покрытием, благодаря принятым допущениям
при ее выводе.
Затухание, вносимое защитным покрытием световода с парабо­
лическим показателем преломления, определяется формулой
а3ь2vз . [ Ь (v2 + а2(2)1/2_
'1 ]2v
а= 21ta2(v2+h2(2)a'x' a(v2+b2(2)lf2_'1 Х
( v2 -4'12 )v/2 (V + 2v\a'x'/4Vp
ХР
РI
ехр [- 2 (v2 + b2'2)t/2 +
v;
VP- 2v'
"
+ (v2 + а2с2)112],
(В.22)
где vp = n1ka (2Л)1i2•
Выражения (В.21) и (В.22) верны для малых значений посто­
янных затухания материала защитного покрытия, не превышаю­
щих вели,rину а3 <.2~/ (п/г). Их можно использовать также для при­
ближенной оценки затухания мод в случае сердечника без потерь
и бесконечной оболочки с потерями, положив Ь = а и а3 = 1а2.
R качестве примера на рис. В.4 представлены графики для
оценки влияния отражающей оболочки с потерями на затухание
мод в многомодовом ступенчатом световоде при отсутствии связи
между модами [В.17]. Сплошная линия представляет собой грани·
цу между направляемыми модами и модами излучения в области
модовых чисел v и μ при V = 32,4. Штриховые линии являются гра­
ницами, отделяющими моды с затуханием меньше заданного фик­
сированного отношения а/,а~ при выбранном а2 от мод, затухание
которых превышает заданное значение. Например, выбрав затуха-
16

!.
>'/V
0,8
0,б
\
0,4- \
\
\
z
\
O,Z
\.
!!:..= 10-z>--.
dz
\.
о
о,т
~1
~
1
O,Z
0,3μ/V
Рис. В.4. Границы сущест­
вования мод в области мо­
довых чисел для сту пенч а­
того световод.а (V = 32,4;
n2=l,458; л0 =1 . мкм; а =
=25 мкм):
1 - грани ца между направляе­
мыми модами и модами излу­
чения; 2 - граница мод с задан­
ным затуханием из -за отражаю -
щей оболочки
ние материала отражающей оболочки 100 дБ/км, из рисунка мож­
но заключ ить , ч то все моды с парами модовых чисел, дающих точ­
ки на графике, лежащие ниже л инии а/а2 = 10-2 , имеют затухание
менее 1 дБ/км, в то время как все моды, соответствующие этой
линии, имеют более высокие потери . Для световода с размерами и
параметрами, приведенными на рисунке, более половины направ­
ляемых мод· будут иметь значительное затухание из-за поглоща ­
ющей оболочк и . При больших значениях V влияние поглощающей
оболочки оказывается меньше .
На рис. В.5 приведены те же зависимости для световода с па­
раболичесюrм профилем показателя пр еломления. Из рисунка вид­
но, что моды в таком световоде менее подвержены влиянию погло­
щающей оболочки, чем моды в световоде со ступенчатым показа­
телем преломле н ия.
Как уже было выше отмечено, поми- •
мо напrавляемых мод в световодах мо - -y/V
0,4-
гут существовать вытекающие моды, для
болr,шинства 1,оторых характерны высо­
кие коэффициенты затухания . Неболь-
б
0.3
шая гр у ппа таких мод с ольшим ази-
мутальным индексом характеризуется
сравнительно небольшим затуханием и
поэтом у , как показывает расчет, могут 0,1
распространяться на расстояния порядк а
колиме -r: ра. Однако практически они не
будут играть заметную роль при переда ­
0,Z
Рис. В.5. Границы суще­
ствования мод в обла­
сти модовых чисел для
параболического свето­
вода (V=32,4; n2 =
че с и гна л ов на значительное расстояние
и должны приниматься в расчет лишь
при определенных измерениях, проводи-
мых на относительно коротких светово- =1,458; Л=О,01; ло=
дах. В связи с этим затухание вытекаю- = 1 мкм; а=25 мкм) :
1и2-тоже
!JTO .н а
щих мод з. десь не рассматривается \
.
DIIC. в.4
2-1149
17
Ьl1Uo11oe l:!"013110/tC'fllllOI
1rl О FS9
:
ЬU:1.JЧrJ:..
•
T~XtCl'i iCK Л ~
•
СLi~11Ufi't'11tl,\

Информационные снойства волоконных световодов являются
наиболее важными, так как они характеризуют основное преиму -
щество световодов - большую информационную пропускн ую спо-
!
собность. Она определяется физическими и структурными пара­
метрами световода, а также свойствами материала световода, при ­
водящими к межмодовой и хроматической дисперсиям. Межмодо-
вая дисперсия вызывается различием групповых задержек мод .
Хроматичес1{ая дисперсия обусловлена различием премен задер-
:жек различных спектральных составляющих сигнала и состоит rп
д исперсии материала и волноводной дисперсии. Существует таюке­
профильШJЯ дисперсия, обусловленная изменением профиля пока­
зателя преломления вследствие различной зависимости от . длины
ьолны при легировании примесями.
Прн рассмотрении влияния дисперсии на искажение пере давае­
мых по световоду импульсных сигналов предполагается для нача­
ла, что моды распространяются независимо друг от друга н не об­
мениваются энерп~ей. Кроме того, принимается, что импульсный
отклик представляет собой наложение отдельных уширенных им ­
пульсов, вызываемых каждой модой на выходе световода, и вычис··
ляется как плотность мод за единицу времени.
При рассмотрении распространения сигналов исходят и з поня­
тия группового времени пробега t,r и групповой скорости Vгr=
= L/fгp, где L - длина световода. Групповое запаздывание (за ­
держка) на единицу д.iiины для моды с модовыми числами v и μ
тогда будет
'tvp.= t,μ, = d~V\J, = _1(п+kdn) =_1(п-л dn)
L
cdk
с
dk
с
dл
Выражение в скобках называют групповым показателем прелом­
ления Nrr, или коэффициентом группового замедления. Если све­
товод возбужден источнИI{ОМ света со спектральной шириной из'­
лучения .1)., то время пробега моды имеет разброс:
Лt,μ,= dt,p. дл = _
Ln1 [ (}!__ d2n1\ d~,p +
dл
СА n1dл2)dk1
+(k1~~{)(1- :1 dd:
1
У] Лл, (В.23)
где k1 =n1k.
Выражение для Лt ,, р. содержит два члена, в которые входят
(, d2n1)·- коэффициент,
определяющий материальную дисперсию и
.
dл2
( d~~iμ, )-- ко~ффициент, определяющий волноводную дисперсию .
Оценка показывает, что волноводная дисперсия значительно мень­
ше материальной и в большинстве случаев ею пренебрегают .
Из (В.23) нетрудно понять, что разброс времени пробега пропор­
ционален длине световода . Величина Лt,μ,, как видим, определяет
хроматическую д~сперсию, ~ли, иначе, внутримодовую дисперсию _
18

Общее уширение импульса в многомодовом световоде слагает­
ся из уширения, вызванного внутримодовой дисперсией, и различ­
ным временем пробега отдельных мод, т. е. межмодовой дисперси­
ей. ЕслЕ т,11. для всех мод известны, то импульсный отклик опре­
деляется числом мод, которые приходят в интервале времени
't.,μ. и
- i:,p . + d-i:, 11. на выход световода .
Пользуясь понятием единого модового числа i и выражением
для постоянной распространения (В.12), можно получить время
задер.жки на единицу дJiины для i-й моды [В . 20]:
Nгr, [
( i )g1<н2> л2 ( i \2g;(g+2 >] (8.24)
't1 =--
1+лс1 -
+-с2 -) ·
,
с
N
2
N
где С1=(g- 2+2Рпр)/(g+2); С2=(Зg - 2+4Рпр)/(g+2);
dn1
п1'л dд
Nгр1 = n1-'л--; Рпр = --- --
d'л
Nгpi Л d'л
Величина Рпр определяет профильную дисперсию и учитывает
различие дисперсионных характеристик сердечника и обоJiочки.
Когда g не очень бJiизко по значению к 2-2Рпр , в выражении
(В.24) преобJiадает линейный член; при g·=2-2Pпr остается толь­
ко очень малый квадратный член. Для параболического профиля
(g·=2), как видим, Т; не будет минимальной.
В ранних работах оценка уширения импульса определялась
выражением
м=Vлt2 - ы2
nых
вх'
1·де Лtвых и Лtвх -- длительности выходного и входного импульсов
соответственно на половине уровня его мощности. Однако Л t за­
висит не толы<о от начальной длительности импульса , но и от его
формы, что приводит к неоднозначности оценки уширения импуль­
са. В [В.20] показано, что удобно характеризовать уширение им­
пульса среднеквадратическим значением ширины импульса
1w
02= Е5(t- tц)2f(t)dt.
-w
со
Здесь Е= Jf(t)dt-энергия импульса, f(t)-ero форма . Величи -
-оо
ну t, 1 определим как центр тяжести импульса:
1 !Х)
fu = Е 5tf(t)dt.
-оО
Для среднеквадратического значения ширины импульса, обуслов­
ленной внутримодовой дисперсией, имеем:
Lo,. [(-А d2n1 )2 -2'л2 d2n 1 N. ЛС
ов= 'л
d'л2
d'л2 гр1 1
+No д2с2 2g ]112_
гr1 iЗg+2
2*
19
2g+
2g+2
(8.25)

Здесь {Jл - среднеквадратическое значение спектральной ширины
источника излучения с нормализованным спектральным распреде­
лением мощности S (,Л,) и средней длиной волны излучения Л,0 . Ве­
личина а" определяется следующим образом:
со
af =J(л- л0)2S(л)d),.
о
Среднеквадратическое значение ширины импульса, вызванное меж­
модовой дисперсией,
Омм= LNгp1Лg ( g+2 )1'2[с2+4C1Cil(g+1) +
2с(g+1) Зg+2
1
2g+1
.+ 4ЛС2(2g+2)2 ] 112_
(5g - 2) (Зg+2)
(8 .26)
Минимальное значение межмодовой дисперсии достигается при оп­
тимальном значении параметра профиля g, входящего в выраже­
ние (В.7) для профиля показателя преломления световода:
(4-2Рпр) (3-2Рпр)
gопт=2- 2Pnp- Л
5- 4Р
•
np
Для световода с оптимальным параметром g·опт и Nгр 1 = 1,46 сред­
неквадратическая ширина импульса amin ""'О,141Л 2 L мкс/км [В .2 0].
Общая ширина импульса, обусловленная всеми составляющими
дисперсии,
а2=а2+а2 .
в
мм
(В.27)
Ширина импульса для ступенчатого световода может легко
быть получена из выражений (В.25) - (В . 27), если принять g=oo
(Pnp =О). Расчеты показывают , что отношение среднеквадратиче­
ских значений ширины импульса ступенчатого световода и гради­
ентного световода с оптимальным параметром профиля gопт при
условии отсутствия профильной дисперсии равно примерно 1О/1Л,
что говорит о бесспорном преимуществе градиентного световода .
. Оптимизац ию
световода в отношении уменьшения уширения пе­
редаваемых сигналов можно прои з во д ить не только по парамет­
ру g. Как нетрудно заметить, в выражение для а входит длина
волны. Кроме того, а зависит от длины волны через Рпр- Это об­
стоятельство позволяет в относительно небо ль ши х пределах опти­
мизировать хар актеристики световода изменением длины волны
источника излучения. Имеется также возможность воздействовать
на информационную способность световода, изменяя относитель­
ную разницу показателей преломления сердечника и оболочки (Л).
Однако следует иметь в виду, что при уменьшении дисперсии пу­
тем уменьшения ,Л [см . (В.25) и (В.26)] снижается эффективность
ввода в многомодовый световод излучения из источника. В одно­
модовом же световоде уменьшение Л позволяет увеличить диа­
метр сердечника.
20

Приведенные выше соотношения для уширения импульсов, как
уже отмечалось, были получены в предположении, что связи меж-
!.
ду модами отсутствуют и все моды обладают равной энергией .
В данном случае ширина импульса (например, cr) пропорциональ­
на длине световода L. В реальных световодах такое предположе ­
ние ведет к погрешностям - слишком большим значениям для cr
при значительных длинах световода. Связь между модами в ре­
альном световоде, вызванная неоднородностями показа'Геля пре­
ломления , рассеивающими центрами, нерегулярностями геометри•
ческих размеров, микротрещинами, напряжениями изгиба и ра­
стяжения, разъемными и неразъемными соединениями отрезков
световода, всегда имеет место и проявляется обменом энергии
между модами . На некоторой длине световода Lc, называемой
длиной связи, устанавливается уравновешенное состояние. Посто­
янный энергетический поток от мощных мод к слабым поддержи ­
вает уравновешенное состояние. Согласно [В.21] разброс времени
пробега импульса на расстоянии от входного конца световода ,
превышающем длину связи Lc, имеет следующее значение:
Лfс = Л'tт (LcL )1 /2.
Таким образом, при L>Lc уширение импульса с увеличением дли ­
ны меньше, чем при L<.Lc , На практике показатель степени в д а н­
н ом выражении лежит в пределах 0,5 ... 1 [В . 22] .
Величина Lc зависит не только от качества самого световода,
но также от внешни х факторов - каблирования, случайны х на­
пряжений и изгибов, числа соединений и затухания в них . Как
правило , все явления, увеличивающие з а тухание световода , при ­
водят к уменьшению длины связи и, следовательно, сокращению
уширения импульса .
В гл . 2 вопрос связи мод будет рассмотрен несколько подроб ­
ней . Удобное для вычислений выражение, описывающее форму
импульса на выходе ступенчатого световода, получено в [В.23] ме ­
тодами лучевой оптики:
g(t, L)= 2
1t
2
a
2
L (_! _o _ _)m+s ехр (-•a-t -L) для t0 <t< tc;
t0
t
f0
(
sin Влр
где I t)=arccos---[ -1
--(-:
.....
0 -)-!1,....,
12,....
t-Lni·tt
00
о-
'
с= оsec лр; пр-
с
апертурный угол; а - коэффициент затухания.
21

Величина т определяет угловую характеристику излучателя
Р (0), возбуждающего световод:
Р(0) = P 0 cosm0,
(8.28)
где Р0 - мощность излучения вдоль оси. Для т = 1 получаем уг ло­
вую характеристику ламбертовского источника.
Импульсный отклик наиболее полно описывает информацион­
ные свойства световодов. Из функции импульсного отклика не­
трудно получить и другие характеристики. На п ример, нулевой мо­
мент от функции импульсного отклика дает энергию им п ульса, вто­
рой - среднеквадратическое значение ширины функции импульс­
ного отклика.
Описание информационных свойств световодов во временнон
области достаточно наглядно. Однако для получения количествен­
ных оценок распространения импульсов по световодам вообще бо­
лее удобно пользоваться характеристиками световода в частотной
области. Кроме того, в некоторых случаях применение частотных
характеристик является предпочтительным, например при исполь­
зовании специальных устройств коррекции искажений сигнала.
В теории цепей широко пользуются понятием комплексного коэф­
фициента передачи или комплексной частотной характеристи­
ки Н ((i)), которая определяется как отношение спектров сигнала
на выходе и входе линейной системы. Комплексный коэффициент
передачи является Фурье - спектром временной характеристики си­
стемы:
00
Н(ш)== j
.
g (t) e-iwldt.
(8.29)
Функцию Н (ffi) можно представить в виде:
Н(ш)= 1 Н(ш) I eiargH(wJ=K(ш)ei•y(w),
где К(ш)- амплитудно - частотная характеристика; q,(w)-фазо­
частотная характеристика.
Таким образом, зная временную характеристику световода
g (t), можно легко найти и его частотные свойства.
В [В.27] методом, оперирую1дим модовыми представлениями,
получены выражения для модуляционно - частотных характеристик:
• 2мп·литудной модуляционно - частотной /( (Q, L) и фазовой модуля ­
н.ионно - частотной ер(~~. 1-) характеристик. Под первой понимается
зависимость модуля комплексного 1,оэффициента передачи по мощ­
нссти оптического ~1злучения, модулированного гармоническим сиг­
налом, от частоты модуляции Q. Вторая отражает зависимосл,
фазы комплексного коэффициента передачи огибающей мощности
оптического излучения, модулированного гармоническим сигналом,
от частот модуляции . ]Jри выводе предполагалось, что световод не
имеет неоднородностей, моды его ортогональны, и возбуждается
он источником с угловой характеристикой излучения (В.28). Для
световода со ступенчатым профилем показателя преломления
22

=-- nпп
K(Q, L);=-Д~Q-~-0- Pme- •L [ 1+В- 2В cos Qto ( v~ -
_
1)]112
,
(п L)
t В cos (wt0/V1 -- д)
-
cosQfo
<р ~G,
= - arc g ____...;.__
___
____
.. ..: ....... __ __
.
В sin (шt0/VI - д)
-
sin Q/0
Здесь R = (l - д)P12 + 1 (1-0,115aLд); а -показатель затухания.
дБ/км; остальная символика соответствует пр и нятым в данном
разделе обоз н ачениям.
Для световода с параболическим профилем показателя прелом­
Jiения:
К(Q, L)= Re-•L
д2що
<р(Q, L)= - arctg
[
(
Д2 \] 1/2
2-1Л-2 1 - 1дcosQt0В)
,
(1- 1Л)cosQf0(1+д2/8)- cosQf0
(1 - 1Л) siп Qt0(\ +Л2/8) - si11 Qt0
Анализ п олученных вы р ажений п оказывает, что амплитудные
модуляцио нн о - частотные характеристики имеют падающий и одно­
временно ос ц иллирующий вид с нулевыми значениями для опре­
деленных значений Q. Это объясняется тем, что по мере увеличе­
ния частоты модуляц и и и длины световода растет разность фаз
между рас п рост р аняющимися модами, которые, интерферируя,
приводят к посте п енному уменьшению результирующей мощности .
Фазовые модуляционно-частотные характеристики имеют линейно­
возрастающую со слабой осцилляцией форму. В реальных свето­
водах из-за связи между модами «глубина» осцилляций умень ­
шается и характеристики K(Q, L) принимают более гладкий спа­
дающий вид .
Рассмотрим одномодовый: световод. В таком световоде благо­
даря распространению единственной основной моды межмодовая
дисперсия отсутствует и ширина импульса определяется только
внутримодовой дисперсией, определяемой выражением (В . 25).
Первое слагаемое этого выражения определяет вклад в ширину
импульса, вызванный материальной дисперсией, третье слага ­
<:: мое - волноводной дисперсией, а второе - влиянием обоих фак ­
торов. Материальная диспе р сия, как уже отмечалось выше, зна­
чительно больше волноводной и, следовательно, она ограничивает
в основном полосу про п ускания одномодового световода . Чтобы
у меньшить влияние материальной дисперсии, целесообразно ис­
пользовать источники с возможно меньшей шириной спектра излу­
чЕ-ния . Существует и другой способ - компенсация материальной
д исперсии волноводной дисперсией за счет того, что изменения то­
чек кривых зависимости этих дисперсий от длины волны имеют в
определенных областях л, противоположные з наки. Например, ма­
тери с1 льная дисперсия чистого кварца в области длин волн, боль­
ших 1,27 мкм, будет отрицательной (рис . В.6) . Варьируя значени­
€ М относительной разности показателей преломления Л и радиусом
сердечника световода а , можно и з менить волноводную дисперсию
23

JJ, нс/км-нм
1,1
1,Z
IJJ
т,ч-
1,5
1,6
1,7 Л,мкм
Ри с . В.б. Дисперсионные кривые кварцевого световода и
световода, легированно го германием
и добиться компенсации на длине волны, соответствую щей обла ­
сти с наименьшим затуханием (см . рис. В.6).
На рис. В.7 представлены вычисленные кривые матери а ль ­
ной D м, волноводной Dn и результирующей Dreз дисперси и пр и
различных диаметрах сердечника световода и фиксированно й от ­
носительной разности показателей преломления Л ,[В . 24]. И з ри ­
сун к а видно , что при диаметре сердечника 2а= 11 мкм нулевая.
дисперсия получена на длине волны Л = 1,3 мкм, при 2а = 4,5 м км -
на л= 1,48 мкм, а при 2а=3,5 мкм- на л = 1,75 мкм.
Зависимости материальной и волноводной дисперсий от диа ­
метра сердечника и относительной разности показателей прелом ­
ления сердечника и оболочки для выбранной рабочей длины вол ­
ны 1,5 мкм приведены на рис. В.8 {В.25]. При 2а=2,1 мкм и Л=
JJ,н с/км - нм
Za=IIMKM
ZO t----1-- --1-- - , S-""""'k--:;;--t- ---t- -----1
х-
ч-,5
0 x1-
...,
- ,..
- .,;:;,~
...
::...ir"_= -_ -_ - _ --- =t---"" -= -"'-
.c
_ 1-""-- _- _-
-- 1-
~t.-::--
--_
- :,,-=rt==-"" -
~-
-- ==
- 1,..:: ..c;5=-----1
х
*
-zo i,,,.,,==----11-,,, . . -, ,::::. -- + -- -- --1-==:==t,~- -
~
~=- +--- -i
1
ч-, 5
х
J,5
-ч-0~-~~-~--~--~--~--~--~
т,z
1,3
1,'f -
1,5
1,6
1,7
1,8 Л,мкм
Рис. В.7. Спектр альные кривые материальной, волновод­
ной и результирующей дисперсий кварцевых световодов
при различных диаметрах сердечника
24

Рис. В.8. Волноводная
(сплошные линии) и ма­
rериальная (штриховые
линии) дисперсии при
различных
диаметрах
сердечника
и различ-
ных Л на длине волны
1,5 мкм. (Кривые для
волноводной дисперсии
«перевернуты», их следу ­
ет рассматривать в об­
ласти
отрицательны х
значений дисперсий.)
JJ, нс/км-нм
о
z
J
2а,мкм
= 0,4 % дисперсия отсутствует. При больших значениях (например r
при Л=О,6%) имеются два значения диаметра сердечника, при
которых результирующая дисперсия равна нулю. С точек зрения
лучшего согласования с источником излучения и соединения меж­
ду собой световодов больший диаметр предпочтителен. Однако­
следует иметь в виду, что при большем из двух значений диамет­
ра условие одномодовости V <2,405 может быть не выполнено, и
тогда наряду с основной модой возможно возникновение других
мод . В этом случае световод у:же не будет одномодовым. Для
удобства выбора параметров одномодового световода зависимост и
диаметра сердечника от Л для различных длин волн при услови и
равенства нулю дисперсии представлены на рис. В . 9 . Для кривых
л. = 1,4; 1,5 и 1,6 мкм при одном значении Л имеются два значени я
диаметра . Из вышеуказанных соображений предпочтительне й,
больший диаметр, но при этом желательно , чтобы он соответство ­
вал точкам на кривой , Jiежащим правей точки А . Если же учиты -­
в ать условие максимально го смещения 0,5 мкм при сращив а ни и,
световодов, что соответствует приращению затухания 0,1 дБ , то•
можно установить вторую границу величины диаметра сердечни­
ка, которая обозначена точкой В . Штриховые кривые на рисунке·
обозначают границы, выше которых создаются условия для воз­
никновения первой моды, ближайшей к основной.
Таким образом, в перспективных диапазонах длин волн 1,3·
и 1,5 мкм при осуществлении компенсации материальной и волно -
2а,
мкм L-1 - - -- - '-" . ....,. _, ....c, .i,.... ....., c.:..,_ :_ .J ....._ ~- - 1- - - ~
z
в
o,z
0,4-
О,б
0,8 Л,%
25
Рис . В.9 . Зависимост ь­
радиус а сердечника от
относительной разност и,
показателя прело м лени я,
для случая, когда ре ­
зультирующая
диспер ­
сия равна нулю (штри­
ховые кривые показыва ­
ют, при каких условия х:
возникает ближайша я,
мода более высокого по~
рядка)

IJ.,нс/км-нм
2а
20 1---'< ----+- --+ ---,
---,--
llpeз
-Z0t-----t- - -+ --. .. .. .. . X ---+- --
-----
----1
-.....___ х11м
-WL----'----'----'---'-------------'
1,0
1,Z
1/1-
1,б
1,8
;t,мкм
Рис. В . 10. Дисперсия сlJетовода W-типа с параметрами
Лr=1%, Л2=-l%, 2а=2,7 мкм, f=l ,1 мкм, D.,;;. I нс/км-нм
в диапазоне длин волн 1,3 и 1,67 мкм
~ в од ной дисперсий диаметр сердечника одномодового световод а
.должен
быть небольшим, что затрудняет его изготовление, возбуж­
. дение
и стыковку. Поэтому в некоторых случаях для создания све­
•товода с большим диаметром сердечника
приходится выбирать
. меньшую
ра з ность показателей преломления сердечника и обо­
. .гючки,
получая меньшее значение волноводной дисперсии и, следо-
вательно, лишь частичную компенсацию материальной дисперсии .
Применение трехслойных световодов, в частности W-типа, позво­
_ ляет получить большую, чем в двухслойном световоде, волновод­
ну ю дисперсию при одинаковой разности показателей преломле­
· ния [В . 26]. В таких световодах при относительно больших V <
< 3,01 ... 3, 15, а следовательно, и диаметрах сердечника сохраняют­
.ся
условия режима одномодовости. Для световода с параметрами
2а=6 , 13 мкм, 2Ь=2(а+t)=12 , 26 мкм (Ь-радиус первой обо­
лочки) n 1 =1,45G2; п2 =1,4424; n3 =1,4437 на л=l,55 мкм, V = 2,54.
· при этом на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм дисперсия близка к нулю,
.а
в интервале между этими значениями дисперсия не превышает
3 пс/1<м •нм.
Результаты исследования по минимизации дисперсии в свето­
во д е W'-типа представлены на рис. В.10 [В . 25]. В диапазоне длин
волн 1,35 .. . 1,67 мкм была получена дисперсия, не превышающая
1пс / км . нм при диаметре сердечника 7,2 мкм . Толщина первой
. оболочки
t составляла 1, 1 мкм, относительная разность показате­
J1ей преломления между сердечником и первой оболочкой Л1 = 1%,
а между первой оболочкой и второй оболочкой Л2 = -1 %.
В . 3. ХАt>АКТЕРИСТИКИ СВЕТОВОДОВ , ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В КАБЕЛЯХ
ДЛЯ МНОГОКАНАЛЬНЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ
Основные качественные показатели световодов - широкополос­
ность и малое затухание обеспечиваются выбором ряда их конст­
р у юивных параметров. Для оптимального решения этой задачи
. прежд е
всего используют соотношения, существующие между ка-
26

чественными показателями и такими характеристиками световода,
как диаметр сердечника, толщина светоотражающей оболочки,
профиль показателя прЕ:ломления, характеристики рассеяния, па­
раметры за щитных покрытий и др. Нередко решающими факто­
рами компромиссного выбора являются трудноразрешимые техно­
.тюгические проблемы производства или стоимость световодов.
В настоящем параграфе для большей наглядности ограничимся
общим рассмотрением факторов и закономерностей, лежащих в
-основе выбора параметров световодов, без детального обоснова­
ния и расчета.
Рассмотрим факторы, влияющие на выбор диаметра световода.
С механической точки зрения световод должен допускать как мож­
но большее растяжение и иметь хорошую гибкость. Удовлетворе­
ние первого требования связано с увеличением диаметра светово­
да. В то же время известно, что разрушение световода при изrибе
начинается с поверхности, где деформация бывает максимальной.
При изгибе световода с собственным радиусом Ь по кривой ради­
усом R rзеличина деформации на поверхности e=b/R. Для гаран­
·rированного функционирования световода в составе кабеля в тече­
ние всего срока службы деформация световода должна быть мень­
ше максималuно допустимой. Считается, что деформация в 0,5%
является приемлемой. Если наиболее вероятным минимальным
радиусом изгиба считать 15 мм [В . 21], то радиус световода не дол­
жен превышать 75 мкм. Дальнейшее совершенствование техноло­
гии вытяжки показало, что световоды с диаметром 125 мкм имеют
приемлемую прочность при растяжении. Поэтому исходя из эконо­
мических соображений данный размер предпочтительнее.
Толщина оболочки световода выбирается и з условия, чтобы по­
·тери в оболочке не превышали заданного значения. Как было по ,
:казана в § В .2 , потери зависят от толщины оболочки (см. (В . 21)
11 (В . 22)). Для многомодового световода практически достаточно
изолировать от радиационных потерь с поверхности световедущей
·оболочки только часть направляемых мод. Так как размеры поля,
-уменьшающегося в световедущей оболочке, быстро и зменяются с
порядком моды, толщина оболочки определяет разделение общего
числа направляемых мод на такие, которые практически з атуха­
ют, и на такие, потери на излучение которых с поверхности обо­
Jiочки незначительны. Например, для отношения ра диуса оболоч-
1ш и сердечника Ь/а=2 только несколько процентов направляемых
мо д и спытывают потери в оболочке больше 1 дБ/км, причем к
ним относятся и вытекающие моды. Наконец, при выборе толщи­
ны оболочки следует учитывать изгиб световода, который увеличи­
вает напряженность поля мод у поверхности оболочки и тем са­
мым вызывает дополнительные потери. Поэтому отношение Ь/а
рекомендуется выбирать несколько большим 2. Диаметр сердечни­
ка многомодовых световодов необхо димо выбирать с учетом эф­
,фективности вво да излучения в световод , потерь на соединение
-светонодсв и потерь на микроизгибах. Мощность, вводимая в гра­
диентный световод от лазерного диода,
27

где 1 - яркость источника.
Таким образом, для увеличения Рв параметры световода а и 11
должны выбираться как можно большими. Увеличение диаметра
сердечника также выгодно с точки зрения упрощения технологии
изготовления световода, так как требования к допускам на раз ­
меры световодов ослабляются с увеличением размеров сердечника.
Увеличение же радиуса сердечника а ограничено условием Ь/а~2 ,
в противном случае возрастут потери. Поэтому при выбранном
значении Ь получить большую Рв возможно путем увеличения Л.
В свою очередь, как было показано в § В.2, увеличение IЛ ограни:.
чивает полосу пропускания световода. Более того, увеличение Л,
достигаемое обычно легированием световода германием, приводит
к возрастанию потерь на рассеяние. Например, увеличение Л на
1% вследствие добавления германия удваивает компоненту рэле­
евского рассеяния.
Основываясь щ1 вышеприведенных соображениях для многомо ­
довых световодов, используемых в многоканальных системах пере­
дачи, обычно выбирают отношение Ь/а=2,5, а Л=l,0 ... 1,1%, что
соответствует N А= 0,2 .. . 0,22. Согласно рекомендациям МККТТ и
МЭК диаметры сердечника и оболочки световода соответственно
равны 50 и 125 мкм, а числовая апертура NA = О, 18 ... 0,24 . Допу­
стимые отклонения от номинальных значений этих параметров
рекомендуется выбирать в следующих пределах, %:
отклонение от диаметра:
световода
сердечника .
мекруг лость сечения:
световода не более
сердечника не более . . . .
неконцентричность сердечника и оболочки
не более
±2,4
±6
2
6
6
Область рекомендуемых значений числовой апертуры О, 18 ... 0,24 .
При этом разница между любым фактическим и номинальным
значениями не должна превышать 0,02.
Профиль похазателя преломления градиентных световодов
МККТТ рекомендует выбирать близким к параболическому (см .
§ В.2). В частности, для световода из кварцевого стекла, легиро­
ванного Ge02-P20 5, параметр профиля показателя преломления
g·=2,06 при л=О,85 мкм и g·= 1,98 прил= 1,3 мкм [В.28].
Характеристики передачи световодов имеют статистическое
распределение, зависящее от способа изготовления, конструкции
и т. д . В связи с этим МККТТ рекомендует разделить световоды на
категории на полосе пропускания и затуханию. Сведения о катего­
риях световодов приведены в гл, 5.
Диаметр одномодовых световодов выбирается из тех же сооб­
ражений . Расчет отношения Ь/а с позиций получения малого зату-
28

----~·-----~
--=•llllll'oilllEIL...!I____&..,_~ 5il ,~=-ai!!~З!llllliiE=i!!E~-:::.iil-
!..
хания из-за влияния защитной оболочки дает величину 6 ... 8 . Как
следует из § В.2, диаметр сердечника одномодовых световодов
,обычно не превышает 1О .. . 11 мкм. Поэтому диаметр одномодового
·световода может быть меньше 125 мкм. Однако для получения
достаточной прочности, а главное, с целью унификации диаметр
одномодовых световодов также выбран равным 125 мкм. Отклоне­
ние от номинала, как и в случае многомодового световода, не
должно превышать ±2,4%, а некруглость 2%.
Практика использования одномодовых световодов показывает,
что д ля их характеристики вместо диаметра сердечника и распре­
деления показателя преломления удобно пользоваться диаметром
модового поля . Данный параметр зависит только от приведенной
частоты V и легко определяется экспериментальным путем (см.
гл. 5).
В рекомендациях МККТТ диаметр модового поля рекоменду­
ется в ыбирать в пределах 9 ... 10 мкм с отклонением от выбранно­
го номинального значения, не превышающим ± 1О% . Некруг лость
модового поля практически невелика (всегда меньше 6%), поэто ­
му она не нормируется. В зависимости от требуемого в сростках
.световодов затухания и применяемого способа сращивания некон­
центричность модового поля по отношению к оболочке рекоменду ­
,стся выб ирать в пределах 0,5 ... 3 мкм. Рекомендуемое значение
крити ческой длины волны световода, т . е . минимальной длины
волны, на которой мода LP11 уже не может распространяться , в
настоя щее время еще не определено . Временно рекомен дуется
для рабочей длины волны 1,3 мкм выбирать критическую дли ну в
пределах 1,1 ... 1,28 мкм.
29

Гл а в а 1. ПАРАМЕТРЫ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ
1.1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КАБЕЛЕИ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ОБЛАСТЬ
ИХ ПРИМЕНЕНИЯ НА ОБЩЕГОСУДАРСТВЕННОЙ СЕТИ СВЯЗИ
В настоящее время л волоконно - опгических системах передачи
общего пользования используется унифицированная каналообразу­
ющая аппэратура цифровых систем передачи (ЦСП) различных
ступеней иерархии. Системы передачи с частотным разделением
каналов (ЧРК) по оптическим кабелям еще не нашли практиче­
ского применения, что связано с определенными трудностя м и в
обеспечении качественных показателей линейного тракта. Это от­
носится, главным образом, к таким основным параметрам, как за­
тухание, нелинейности и собственные шумы групповых усилителей .
За последние годы были проведены исследования методов переда­
чи аналоговых сигналов и определены пути практической их реа­
лизации. Результаты этих исследований показывают, что в бли­
жайшие годы окажется возможным использование на сетях связи
систем передачи с ЧРК большой емкости.
Рассмотрим структурную схему рис. 1.1 применительно к ци­
фровым системам передачи, как наиболее изученным к настояще ­
му времени [1.1].
Линейный тракт (между точками А и В) состоит из оконечной
и промежуточной аппаратуры линейного тракта и оптического
кабеля. Оконечная аппаратура линейного тракта (ОАЛТ) содер­
жит: квантово-электронные модули передачи и приема (КЭМпер
и KПMrrp), предназначенные для преобразования электрических
сигналов в оптические и обратно: преобразователи кода (ПК) для
формирования помехоустойчивого линейного сигнала применитель­
но к оптическому тракту; устройства питания, служебной связи
(СС), телемеханики и телесигнализации (ТМ), (ТС) и другие·
вспомогательные узлы (на рис . 1.1 не показаны) , необходимые для­
технической эксплуатации световодноrо линейного тракта .
г--------,
1
1
1
1
г-------- - -,
1
1
1
1
I
ОАЛТ 1
L________ _J
I
ПАЛТ
I
L __________ _j
Рис. 1.1 . Структурная схема волоконно-оптической систеl'iы передачи
30

Промежуточная аппаратура линейного тракта (ПАЛТ) содер -­
жит · линейные регенераторы (ЛР), состоящие из приемного КЭМ, .
!,
электронного , регенератора (Р) и передающего КЭМ, а также ·
устройства питания, ТМ и те. Се и другие, обеспечивающие тех ­
ническую эксплуатацию и контроль качест&енных показателей про ­
межуточной аппаратуры.
Важнейшим показателем , характеризующим технико-экономи 0
ческую эффективность систем передачи , является длина участка
регенерании. Она зависит как от параметров · оптического кабеля
(К), так и от энергетических характеристик приемопередающих
устройств, и ограничивается двумя основными факторами.
Первый фактор связан с дисперсионными искажениями в све ­
то Е! оде, что эквивалентно ограничению верхней предельной часто ­
ты~ а, следпвательно, и скорости передачи .
i Bo введении рассматривался механизм уширения импульса
пр ~~ распространении по световоду. Было показано, что уширение·
импульса при пробеге пути L, большем длины связи Lc, пропор-
11иона J1ьно L ~-
где ,у- параметр, принимающий значение от 0,5
до 1. Эта зависимость между уширением импульса и L использу­
ется при ра с чете длины регенерационного участка. Не менее ши-·
роко применяется зависимость между полосой пропускания свето­
вода BL и его длиной L. В общем случае эта зависимость может
быть аппроксимирована выражением
BL=B1L-,,
(1.1) ·
где В, -- удельная ширина полосы пропускания световода, МГ11/км ..
К настоящему времени создано три типа световодов: со ступен­
чатым и,менением профиля показателя преломления (ППП) , име- ·
ющие полосу пропускания 50 .. . 60 МГц • км, с градиентным ППП ,
полоса пропускания I{ Оторых 500 ... 1ООО МГц• км, и одномодовые
с полосой пропускания несколько десятков ГГц • км . Для систе м
переда 1 1и общегосударственной сети наибольший интерес пред ­
ставляют последние два типа световодов, позволяющие исполь з о­
вать системы передачи большой емкости (третичную и более вы- ­
сокие ступени систем передач).
Для градиентных световодов параметр ~ =0,8 , а для одномо до­
вых световодов ,~ = 1. Таким образом, можно считать , что пре­
дельно допустимая длина участка регенерации обратно пропор­
циональна скорости передачи .
Второй фактор. ограничивающий длину регенерационного,
участка, связан с энергетическими соотношениями в линейном:
тракте [1'.2] и определяется выражением:
L_ (Pn- Рпр)
-
Э- a.p.n
-
а.р.пр - !Хер
-
а.к + а.ер /l
'
(1 .2)1
, ·де ак - километрический коэффициент затухания кабеля, дБ;
Рп, Рпр - абсолютные уровни мощности на выходе передающего
устройства (излучателя) и входе приемного устройства (фотоде ­
тектора) , дБм, (разность Р 11 -Рпр обычно называют энергетически м
31

потенциалом); ар.п и аμ.пр - потери на разъемных соединителях
в передающем и приемном устройствах, составляющие обычно
0,7 ... 1 дБ; аср - потери на сростках строительных длин световодов
(при современных методах потери на одно сращивание составляют
"""О, 1 ... 0,3 дБ); l - строительная длина кабеля, равная 1 ... 2 км ;
Э - энергетический запас, необходимый для компенсации ухудше­
ния характеристик элементов вследствие их старения (примерно
б дБ), неучтенных дестабилизирующих факторов (электропитания,
температуры и т. д. - 3 дБ), а также энергетических потерь, свя­
занных с флуктуациями стробирующих импульсов, неполной мо­
дуляцией источника и других, не учтенных в выражени-и ( 1.2).
Обычно энергетический запас составляет 12 ... 15 дБ.
Суть выражения ( 1.2) в том, что уровень мощности на приеме
равен уровню мощности на передаче за вычетом всех потерь на
участке регенерации с учетом энергетического запаса.
Таким образом, основными параметрами, определяющими дли­
ну участка регенерации, являются: энергетический потенциал
Рп-Рпр, который зависит от степени совершенства элементов ли­
нейного тра~па (излучателей и фотодетекторов), и затухание в
кабеле ак.
Мощность на выходе передатчика зависит от типа применяемо­
го излучателя. В качестве излучателя используют полупроводнико­
вые лазеры или светодиоды. Лазеры по сравнению со светодиода­
ми имеют более узю-rе спектры излучения и диаграмму направлен­
ности и применяются, как правило, в линиях связи большой про­
тяженности. Типичное значение мощности, вводимой в волокно,
для лазеров составляет 1 ... 5 мВт, а для светодиодов - около
0,1 мВт.
Минимальный уровень мощности на входе фотоприемника за­
висит от скорости передачи, типа применяемого фотодетектора и
заданной помехоустойчивости (вероятность ошибки). В настоящее
время в качестве фотодетекторов применяют p-i-n фотодиоды ила­
винопролетнь1е фотодиоды (ЛФД). В линиях связи большой про­
тяженности используют ЛФД, чувствительность которых на
8 ... 1О дБ выше за счет эффекта внутреннего умножения. Для вто­
ричных (120 каналов) и третичных (480 каналов) систем переда­
чи на рабочей длине волны 0,85 мкм при вероятности ошибки 10-9
допустимая минимальная мощность на входе фотоприемника со­
ставляет примерно (2 ... 5) • 10-9 Вт. Следовательно, энергетический
потенциал для рассматриваемого случая составляет 50 ... 55 дБ.
На длине волны 1,3 мкм чувствительность фотодетекторов ниже и
энергетический потенциал равен 45 ... 50 дБ .
Как уже отмечалось во введении, затухание кабеля зависит от
длины волны и ряда факторов: поглощения в материале, рассе­
яния, изгибов и дефектов в световоде (см. рис. В . 3). Из рисунка
видно, что имеется несколько окон прозрачности кварцевого во­
локна, каждое из которых представляет некоторый диапазон длин
волн с центральной длиной волны, имеющей минимальное зату­
хание. В диапазоне волн с центральной длиной волны 0,85 мкм
32

наилучшие образцы световодов имеют коэффициент затухания
2 дБ/км, в диапазоне 1,3 мкм - 0,4 дБ/км, а в диапазоне
1,55 мкм - О, 16 дБ/км.
Из приведенных данных следует, что в диапазоне 0,85 мкм ос­
новным фактором, ограничивающим длину участка регенерации в
пределах 8 ... 12 мкм, является затухание кабеля. Дисперсионные
искажения в световодах с градиентным профилем показателя пре­
ломления практически не ограничивают длину участка регенерации
систем передачи со скоростями до 140 Мбит/с. В диапазоне 1,3 мкм
при использовании таких световодов могут быть реализованы си­
стемы со скоростью передачи до 34 Мбит/с и длиной участка реге­
нерации до 30 км. При увеличении скорости передачи более
34 Мбит/с из-за дисперсионных искажений необходимо либо умень­
шить длину участка в соответствии с выражением ( 1.1), либо ис-
пользовать более широкополосные одномодовые световоды. •
В диапазоне 1,55 мкм благодаря малому затуханию длина
участка может достигать 50 ... 100 км. Для реализации на гради­
ентных световодах таких длин участков при скорости передачи
свыше 34 Мбит/с необходимо применять одномодовые волокна.
К настоящему времени наиболее подготовлена и практически
может быть использована на городских телефонных сетях элемент­
ная база для диапазона 0,R5 мкм. Имеются также элементная
база и кабели для диапазона 1,3 мкм. Можно ожидать, что систе­
мы передачи на рабочей длине волны 1,3 мкм найдут в ближай­
шее время широкое применение как на ГТС, так и на внутризо­
повых и магистральных сетях. Ведутся поисковые работы с целью
выявления свойств и особенностей более длинноволновых диапа­
зонов , использование которых обещает дать большой экономиче­
ский эффект.
Выбор компонентов линии, а также конструктивные и схемные
решения при ее проектировании определяются требованиями к си­
стеме в uелом. При проектировании должна быть обеспечена па­
раметри 1 1еская, конструктивная и эксплуатационная совместимость
компонентов системы . В полной мере это относится к оптическому
кабелю и определяет комплекс предъявляемых к нему требований .
1.2 . ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОПТИЧЕСКИМ КАБЕЛЯМ
Оптический кабель -- средство связи, в состав которого входит
принципиально новая направляющая система электромагнитных
сигна л ов - световод . Специфичность данной направляющей систе­
мы состоит не только в особенностях распространения по ней сиг­
налов , но и ее конструкuии и влиянии на нее внешних условий.
Все это требует новых подходов и технических решений на всех
этапах использования оптических кабелей: при прокладке, мон­
таже, эксплуатации. В то же время, поскольку основной задачей
оптических кабелей является обеспечение заданного качества пе­
редачи при существующих условиях эксплуатации, к ним предъяв­
.т:яются такие же общие требования, как и к традиционным элек­
тричес1шм кабелям связи, а именно:
3-1149
33

возможность прокладки в тех же условиях, а каких проклады ­
ваются симметричные и коаксиальные кабели;
максимальное использование при прокладке уже существую­
щих методов, техники и оборудования, применяемых при проклад­
ке электрических кабелей;
возможность сращивания и монтажа в полевых условиях с до­
статочной легкостью и за приемлемый отрезок времени;
устойчивость к внешним воздействиям (механическим, клима­
тическим), возникающим при эксплуатации на сетях связи;
надежность, обеспечивающая эксплуата цию с заданными пока­
зателями безотказности, долговечности и ремонто пригодн0сти.
Указанные общие требования должны лечь в основу разработ­
ки технических требований к оптическим кабелям. Наряду с об-
CmpOtJHUtJ c&mo8oila
Прогноз
пomptJOЛtJHIIЯ
TtJXHIIKa
COtJOliHIJmtJЛbHЫX
мgtpm
MemoiJ
рвмонта
ЗKOHOl'fll'!fJCKOfl
cpa!JнtJHllfl
Волокно-аптuческая
система ПtJfltJilaчu
Конструкция
КООtJЛЯ
TtJXHIJKCl
прокла !Jка
Тип ctltJmo8oiJa
XapaкmtJpucmuкu
пeptJila чu
ПpUMtfHUl\fCIЯ
система пeptJiJaчu
Спосоо питаноя
MemoiJы
контроля_
U l/ЗMtfJlflH!Ш
Memoil
сдащи8ания
c8вmotlo!Jo8
Рис. 1.2. Факторы, учитываемые п ри разработке оптического кабеля
34

щими требованиями оптические кабели должны удовлетворять
требованиям, вытекающим из таких факторов, как характеристики
н конструкщiя применяемых световодов, методы контроля и изме­
рений, строение данной конкретной системы передачи, экономиче­
ские показатели, прогноз развития сети связи и т . д. Взаимосвязь
факторов, которые следует принимать во внимание при разработ­
ке конструкции оптического кабеля , представлена на схеме рис. 1.2 .
Анализ указанных фа,,торов с учетом общих требований позво­
л яет сформулировать конкретные требования к оптическим
кабелям.
Требуемое затухание, полоса пропускания и число световодов
в кабеле для ГТС определяется обычно исходя из анализа гене­
ральных схем и конструктивных проектов ГТС. Если для лини й
связи используются оптические кабели со световодами, имеющими
полосу 400 ... 500 МГ • км и затухание до 3 дБ/км, то можно реали­
зовать линии связи со скоростью передачи до 34 Мбит/с и участ­
к ами регенерации длиной 8 ... 10 км. Линии такой протяженности,
в которых используются кабели, имеющие 4 ... 8 световодов с ука­
занными параметрами, по каждому из которых передается груп­
повой сигнал [1.3], составляют основную долю соединительных
линий ГТС . Таким образом, на ГТС можно избежать применения
регенераторов и, следовательно, дистанционного питания , что, в
свою очередь, позволяет полностью исключить из оптически х кабе­
лей медные элементы . Перечисленные оптические параметры мож­
но получить, применяя в кабеле градиентные световоды как на
длине волны 0,85 мкм, так и на 1,3 мкм. Учитывая, что более пер ­
спективным является диапазон 1,3 мкм, следует ожидать , что в бу­
дущем с целью унификации на городских сетях будет использо­
ваться диапазон 1,3 мкм.
Для магистральных и внутризоновых сетей интерес представ­
ляют только диапазоны 1,3 и 1,55 мкм. На кабелях с рабочими
длинами волн, лежащими в этих диапазонах, возможно реализо­
вать регенерационные участки длиной порядка 100 км. На участ­
ках внутризоновой сети, где длина линий не превышает этой ве­
личины, и, следовательно, не нужны регенерационные пункты так
же, как и д ля соединительных линий ГТС, отпадает необходимость
в дистанционном питании. Это позволяет отказаться от токопрово­
дящих элементов в кабелях для внутризоновой сети. Такие кабели
не подвержены влиянию электромагнитных полей, не требуют ор­
ганизации системы грозозащиты и защиты от корро з ии . При со­
временном состоянии развития техники волоконно-оптических си­
стем передачи реально построение линий с длиной участков реге­
нерации 25--35 км. Для построения участков такой длины со ско­
ростью передачи, например, 34 Мбит/с кабель должен иметь зату~
хание не более 1 дБ/км и полосу 1000 .. . 1200 МГц - км . Эти значе­
ния параметров можно получить на градиентных световодах в
диапазонах 1,3 и 1,55 мкм. Имея в виду, что на внутризоновых се ­
тях потребность в линиях связи со скоростью передачи свыше
34 Мбит/с практически отсутствует, целесообразно использовать
3*
35

на этих сетях градиентные световоды. Количество же световодов в
кабеле должно определяться из рассмотрения конкретных схем
организации связи на внутризоновых сетях. В кабелях для внутри­
зоновых сетей так же, как и в кабелях для ГТС используемые гра­
диентные световоды должны иметь апертуру в пределах
0,18 .. . 0,22.
Для магистральной сети при скоростях передачи 140 Мбит/с
и выше кабель должен строиться на основе одномодовых светово­
дов. В данном случае при длине регенерационного участка, напри­
мер, :35 км световоды должны обладать полосой пропу.скания
5 ... 6 ГГц, затуханием не более 0,7 ... 0,8 дБ/км, строительная дли­
на кабеля не должна быть меньше 1 ... 2 км, а затухание в срост­
ках световодов не более 0,2 ... 0,:3 дБ.
Таким образом, рассмотрены основные требования к характе­
ристикам передачи оптических кабелей для различных сетей свя­
зи с учетом современного уровня развития световодной техники.
Требования к механическим параметрам и устойчивости к клима­
тическим воздействиям будут рассмотрены во второй главе, где
подробно анализируются внешние факторы, воздействующие на
оптические кабели.
1.3 . СИСТЕМА ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ
Основные параметры оптических кабелей можно разделить на
три группы:
конструктивные;
определяющие передаточные и оптические характеристики
кабеля;
характеризующие область применения, т. е . допустимые усло­
вия монтажа и эксплуатации, с точки зрения возможных механи­
ческих, климатических и других воздействий.
В табл. 1.1 перечислены характеристики оптических кабелей,
соответствующие каждой группе параметров .
Таблицн 1.1
Группа
Передаточные и опти­
ческие
Хо нстр укпшные
Характеристика
Полоса пропускания (дисперсия импульсов)
Коэффициент затухания
Числовая апертура
Профиш, показате,1я прело мления
Тип волоконных световодов (градиентные, ступенча-
тые, одномодовые)
Тип конструкции сердечника кабеля
Геометрические размеры волоконных световодов
Число волоконных световодов в кабеле
Наружный диаметр оболочки кабеля и оазм~ры его
элементов
. 1\ -lacca кабеля
СтроитеJJьная длина
36

Окончание табл. 1.1
Группа
Механические
Климатические
Специальные
Надежность
Характеристика
Стойкость к растяжению
Стойкость к раздавливающим нагрузкам
Гибкость
~'дарная прочность
Вибростойкость
Стойкость к закручиванию вокруг оси
Стойкость к повышенным гидростатнческим дав­
лениям
Нагревоrтойкость
Холодостойкость
Влагостойкость
н_егорючесть
Радиационная стой1,ость
Стойкость к тер моударам
Устойчивость к агрессивным средам
Срок службы
Сохраняемость
Безотказность
К настоящему времени еще не установились нормы на боль­
шинство характеристик кабелей различного назначения. Однако .
уже сейчас можно отметить тенденции в установлении значений
отдельных характеристик кабелей конкретного применения.
В табл. 1.2 приведены основные наиболее характерные значе­
ния характеристик оптических кабелей различного назначения .
Таблиц а 1.2
Оптичесl\ИЙ 1<абель
Х арактеристи1.:а
1
1
междугородный
станцнонный
гор одской
[маги стральный
30I-IОВЫЙ
Тип световода
Соответству- Г~:-адиентный I'р адиентный Одномодо-
ет линей но-
вый
му кабелю
Рабочая длина волны, мкм
»
О,8Б; 1 '<
1,3; 1.55
1,3; 1,55
,,v
Коэффициент затухания,
»
3...5
0,7 ... 1
0,2 ··•1
дБ/км
Полоса проп ускания,
»
200 ... 500 500 ... 1000
-
МГц-км
Дисперсия, пс /нм• км
»
-
--
1...6
Числовая апертура
»
0,18 .. . 0,22
0,1 ... 0,18
-
Диаметр сердечника/дна-
»
50/125
50/125
5 .. . 10/125
метр световода, мкм
Интервал рабочих темпера- ·- 10 . . . +-85 -40 ... +85 -40 ... +70 -40 . ..
- 1-70
тур, 0С
Допустимое растягивающее
lO ...100
500 ... 1500 1000 ... 3000 1000
... 3 000
усилие, Н
Число световодов в кабеле
1,2
4...8
4...16
4...8
Строительная длина, км
0,1 ... 0,2
0,5 ... 1,5
1...3
1...З
37

Разумеется, ~то по мере развития техники световодных линий
связи и области их использования утвердятся более детальная
I(лассификация параметров и точные нормы на ряд характеристик
оптических кабелей.
Гл а в а 2. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ
ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ
2.1 . ФАКТОРЫ, ВОЗДЕИСТВУЮЩИЕ НА ОПТИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ
ПРИ ПРОКЛАДКЕ, МОНТАЖЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ.
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЕГО КОНСТРУКЦИИ
ВНЕШНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА К:АБЕЛЬ
Во введении были рассмотрены основные физические явления, происходя•
щпе в регулярном световоде при распространении оптического сигнала . Пред•
iюлагалось, что ось световода представляет собой идеальную прямую, грани­
uы сердечника и оболочек - идеальные круговые коаксиальные цилиндрические
поверхности, а заданное распределение показателя преломления в сечении све­
товода . неизменно на всем его протяжении. Подобный световод является тео·
ретической идеализацией . В нем допускалось лишь, что любые отклонения от
заданного значения показателя преломления имеют вид хаотических флуктуа·
ций, коррелированных на расстояниях, меньших рабочей длины волны света.
Такие флуктуации вызывают рассеяние мощности излучения, подобное рэлеев­
скому , которое может быть учтено 1,ак внутренние потери. На практике же све­
товоды в кабеле имеют различные виды нерегулярностей, которые можно раз­
делить на собственные, обусловленнь1е условиями или несовершенством техно­
ЛОГ!-!И производства световода, вызванные внешними воздействиями на световод
со стороны его защитных оболочек и других элементов кабеля, а также фак­
торами , обусловленными условиями прокладки и эксплуатации . Совершенство­
вание технологии производс·;-ва световодов в настоящее время привело к созда­
нию световодов с незначите.ньными нерегулярностями и соответственно низким
затуханием. Сохранить это затухание после нанесения на световод защитных
оболо,~ек, каблирования, прокладки, монтажа и в процессе эксплуатации воз­
можно, если ограничить в определенных пределах нерегулярности. Последнее
достигается правит,но выбранной конструкцией кабеля. При разработке конст­
рукции к,1беля необходимо иметь четкие представления об условиях, в кото­
рых он будет прокладываться и эксплуатироваться . Рассмотрим, каким воз­
действиям подвержен 1,абель в процессе строительства и эксплуатации линий
связи. В основном это механические, тепловые, химические воздействия, а так­
же воздействия различного вида излучений.
При прокладке и монтаже оптические кабели наиболее подвержены меха­
ническим нагру.зкам: растяжению, изгибу, кручению, поперечному сдавливанию,
вибрациям . Продольное растяжение, возникающее при прокладке кабеля в те­
лефонную канализацию, вызывается трением его о стенки канализации и за­
клинивающим действием, которое образуется между кабелями, уже имеющими­
ся в канале, и затягиваемым. Растягивающее усилие
(2.1)

1·де f- коэффициент трения кабеля о стенки канала; f3 - коэффициент закли­
н ивания; L - длина кабеля в пролете канализации, куда производится проклад­
ка; Р , - нес единицы длины кабеля .
.Коэффициент · трения зависит от материалов внешних покровов кабелей и
материала канализации, а также от состояния и засоренности последней .
В меньшей степени он зависит от диаметра кабеля и скорости тяжения. Зна­
чение коэффициента трения может изменяться в широких пределах - от О, 145
ДО 0,6.
При затягивании кабеля в канал, в котором уже проложено несколько кабе­
Jiей, может возникнуть заклинивающее действие, которое характеризуют коэф­
фициентом заклинивания fз- В зависимости от расположения кабелей в канале
зна чение этого коэффициента будет разным. Если кабели в канале расположе ­
ны таким образом, что их поперечные сечения образуют как бы треугольник,
1соэ ффиuиент заклинивания рекомендуется [2 .1] определять по формуле
1
fз = --:=========-
V1 - [Dкl(Dт-Dк)]2
где Dк - диаметр кабеля; Dт
-
внутренний диаыетр канала (трубы).
При расположении кабе,1ей в канале в виде люльки
f3=1+_±_( Dк У
3 Dт-Dк 1
На участках трассы, где кабелепровод имеет изгиб, усилия зависят также
<>т угла поворота. Приближенное значение усилия можно в данном случае оце­
нить по формуле [2.2]
_!i__ =
PeR {sh (t<f' + sh-1
_F1)},
(2.2)
~
F1
~R
rде F 1, F2- усилие тяжения соответственно в начале и конце участка, имеюще­
го изгиб; R - радиус изгиба; ер - угол изгиба.
Данная формула применима к изгибам, идущим как в горизонтальной,
;ак и в вертикальной плоскостях. Изгибы кабеля возникают при протягивании
,его через криволинейные участки канализации, при использовании в процессе
нрокладки в кабельных колодцах направляющих блоков и кабельных колен, а
;11кже в процессе монтажа. В первух двух случаях протягиваемая строительная
длина кабеля подвергается изгибу последовательно почти во всех своих точ­
ках . При монтаже изгибы испытывают лишь концевые участки соединяемых
строительных дли н кабелей. Число таких изгибов на строительную длину не
меньше дuух. Во время ре,юнта, устранении повреждений или реконструкции
кабельной сети и других подземных сооружений кабель может подвергаться
дополнительным изгибам. Кроме того, он изгибается при перемотках с бара­
•бана на .барабан, производимых в процессе подготовки к прокладке.
Рассматривая кабель ка;< однородное цилиндрическое тело, можно с доста­
·rочной точностью определить изгибающий момент, действующий на кабель пrи
·из гибе , по формуле
M=El/R,
(2.3)
тде EJ - жесткость кабеля; Е
-
средний приведенный модуль упругости кабеля;
. J - момент инерции сечения кабеля относительно главной центральной оси,
[Jерпендикулярной к плоскости изгибающего момента.
39

Если на кабель не будут действовать другие СИJIЫ кроме изгибающего мо ­
мента (2.3), то максимальное напряжение, возникающее в кабеле диаметром Dк ,
определяется из выражения:
Такое напряжение возникает
нии и лежащих в плоскости
кабеля.
атах = EDкf(2R).
(2.4)
в точках, наиболее удаленных от нейтральной ли­
изгиба, т . е. в точках на поверхности оболочки
Рассмотрим воздействие сил на кабель при его прокладке непосредственно
в грунт. В данном случае прокладка может осуществляться кабелеуклад,шком
или в подготовленную траншею, предварительно вырытую землеройным меха­
низмом или вручную. При прокладке с помощью кабелеукладчика, если размот­
ка кабеля с барабана производится равномерно принудительным вrащение м
барабана, а не ТЯ}!{ением за конеu кабеля, то растягивающая его сила мини­
мальна. При размотке барабана тяжением за конец кабеля возможны рывки ,
связанные с застопориванием барабана, неравномерностью перемещения кабе·
леукладчика и т. д . В этом случае продольная нагрузка на кабель может быть
достаточно большой и вычислена лишь ориентировочно . Принимая во внима­
ние динамическое воздействие нагрузки и вертикальное давление земляной за­
сыпю1, находящейся над кабелем, из (2.1) получае'.1 [2.3]:
F=(Pe+Pв)fLfд,
(2.5)
где Р, - вес единицы длины кабеля; Рв
-
вертикальное давление грунта на
единицу длины кабеля; fд - динамический коэффициент .
При равномерной (без рывков) размотке кабеля с барабана, учитывая не­
большую жесткость оптических кабелей, усилие тяжения на выходе из кабеле ­
направляющей кассеты кабелеукладчика может быть определено по формуле
j'
F2/F1 = е 'Р,
(2.6)
rде F 1 - усилия тяжения на входе в кассету; F2- усилие тяжения на выходе
из кассеты; ер-угол изгиба кабеля кассетой. Величина F 1 зависит от массы
барабана с кабелем, трения в опорах барабана, жесткости кабеля и т. д .
В подготовленную траншею кабель прокладывают несколькими способами .
В большинстве случаев, если в траншее не имеется пересекающих ее препят ·
ствий (труб, кабелей и других сооружений), кабель укладывают в траншею,
предварительно размотав его и уложив вдоль траншеи на землю. Такие спосо­
бы прокладки исключают значительные продольные нагрузки на кабель. Если в.
траншее имеются препятствия, то кабель протягивают по дну траншеи под пе­
ресекающими ее посторонними сооружениями . В этом случае на кабель дейст ­
вует растягивающее уси.~ие, определяемое (2.1) или (2.2). Для уменьшения это ­
го усилия часто используют ролики, устанавливаемые на таком расстоянии друг
от друга, чтобы провисающий кабель не волочи.лея по земле. На каждом пово­
роте траншеи устанавливаются, кроме того, специальные угловые ролики . В о,
всех случаях использования роликов кабель испытывает изгибы.
Кроме перечисленных нагрузок, возникающих при прокладке и монтаже
кабелей, следует отметить также боковое давление, которое появляется во вре­
мя прокладки в местах изгиба при натяжении кабеля, например, на изгибаJt
канализации, в местах установки кабельных колен, направляющих роликов.
и т . п. На этих vчастках единичная длина кабеля прижимается к изгибающей
его поверхности ; силой, зависящей от радиуса кривизны данной поверхности R
и силы натяжения кабеля f:
F 6 =F/R.
40
(2.7 )

Методы прокла д ки и монтажа, 1,ак п равило, направлены на обеспечение­
наилучших условий функционирования кабеля во время эксплуатации. Однако·
и в эксплуатационных условиях кабель остается подверженным различным ме­
ха1-1ичес1шм нагрузкам. Так, в кабельной канализации кабель подвергается по­
стоянному локальному изгибу в мес т ах искривления и поворотов трассы и в­
кабельных колодцах, где он выкладывается на кронштейнах по форме колодца.
На эти же участки кабеля действует и боковое давление. В некоторых случаях
оптический кабель может испытывать боковое давление и на прямолинейны х уча­
стках трассы, если в канале имеются другие кабели , воздействующие на него ·
своим весом. Оценка всех указанных нагрузок на кабель не вызывает трудностей ,
если известны радиусы изгиба кабеля, масса и взаимное расположение в канале­
всех проложенных кабелей .
Кабель, уложенный непосредственно в грунт, находится в несколько более­
тяжелых условиях воздействия механических нагрузок . На него, как уже отме­
чалось, производит вертикальное давление земляная засыпка [2.3]:
Рв= l,2k01 h В+ Dк
(2.8}
2
где у- объемный вес грунта; h- глубина прокладки кабеля; В
-
ширина ра ­
бочего ножа кабелеукладчика; Dк - диаметр кабеля; kв
-
коэффициент вер·
ТIIкального давления грунта, определяемый из выражения
1 - '2с}'уВ
kв=-------
2Erp tg <f'o
:
r] - ехр(- ~ Erptg<f'o)], (2.9)
с - величина сцепления ; eгp = uг/un
-
отношение между горизонтальным и вер ­
тикальным напряжениями грунта ; ср 0 - угол трения засыпки.
Кроме того, если кабель улож:ен в гр у нт под проезжей частью дороги ,
то он находится под дополнительным давлением от движущегося тра нспорта:
Рт= ______f __
,1P
_
1 _____
(ак+2htgа11)(Ьк+2htgа11)
(2.10}
где Р1 - максимальное давл ение от колеса автомашины; fд - динамический ко­
эффициент; h - глубина заложения кабеля; ак, Ьк
-
соответственно длина и ши ­
рина следа заднего колеса rрузового автомобиля; ад -угол распространения,
давления .
Давление, производимое транспортом, деформирует участки кабеля, нахо­
дящиеся под колесами. Кабель приобретает прогиб, который перемещается в на-
11равлении движения транспорта. Деформация грунта и кабеля создает условия
для продольного перемещения кабеля в направлении движения транспорта, что
вызывает дополнителыюе ег() растяжение. Перемещение кабеля приводит также­
к истиранию его оболочки. Возможно появление и других повреждений. Напри­
ме р, в обычных кабелях связи с металлическими жилами наблюдаются пере ме ­
щения проводников внутри оболочки, их обрыв, появление наплывов оболочки,.
смя тие оболочки в местах припайки к муфтам, выгибание кабеля [2.4] . В насто­
ящее время пока нет оснований отрицать возможность появления поврежде -·
ний сходного характера в оптическом кабеле . Другими видами механических
нагрузок на оптический кабель являются вибрации и удары. Подобные нагруз­
ки кабель испытывает более всего при транспортировке. Кабель, находящийся в
эксплуатации, также подвергается вибрациям, если он проложен на мосту 11
41

лод транспортными магистралями. Следует ожидать, что вибрация, как и в
, обычных кабелях, вызовет повреждение оболочки оптического кабеля. Другие
лоследствия воздействия вибрации на оптический кабель еще мало изучены .
Наиболее характерный диапазон частот вибрации кабеля ГТС 6 ... 12 Гц, ампли•
туда 3,5 ... 5 мм.
Теплоные воздейстБия, испытываемые кабелем в процессе эксплуатации,
'В озникают вследствие температурных изменений почвы. Если предположить,
что почвенный слой в горизонтальном направлении является однородным и не­
.ограниченным, а изменение температуры на повЕ'рхности земли происходит по
. гармоническому закону, то можно, решив уравнение диффузии, получить зави­
. симость температуры грунта Т гр на заданной глубине от температуры . на по­
• верхности земли и времени [2.5):
Тгр = тп e-h Vтc/Kso sin ( 21t :о - hV1t/K-to) ,
(2.11)
: где Т п - амплитуда колебания температуры на поверхности грунта; то
-
пери·
- од изменення температуры на поверхности грунта; t - независимая временная
переменная; К = kг р / (СРгр) - коэффициент теплопроводности грунта; kгр
-
:удельная теплопроводность грунта; с - удельная теплоемкость грунта; ргр
-
удельный вес грунта.
Из выражения (2.11) видно, что амплитуда изменения температуры грунта
~уменьшается с ростом глубины. Растет также отставание изменения температу·
,ры грунта от изменения температуры поверхности земли . Чем выше частота ко·
лебаний температуры на поверхности
т,0с
земли, тем меньше амплитуда колебаний
температуры грунта на заданной глу-
lб
бине.
z
,,.
б
8
10 1Z
Месяцы
Рис. 2.1 . Изменение среднемесяч·
ных температур грунта на раз ­
личной глубине в течение года
На рис. 2.1 представлены результа­
ты обработки климатологических дан­
ных по десяти областям средне-европей­
ской территории СССР (2 .3). Как видно
из графиков, изменение среднемесяч·
ных температур в течение года на
глубине 0,8 .. . 1,6 м составляет 11 ... l 3°C.
Годовой перепад по климатологическим
данным может достигать 25°С, а в
азиатской части 30°С.
В результате цикличности измене­
ния температуры на кабель со стороны
грунта периодически действуют внеш·
ние силы, а в самом кабеле из-за его
поперечной неоднородной структуры
возникают
внутренние
напряжения.
Внешние силы возникают благодаря
температурному линейному расширению
кабеля и становятся заметными при
значительной длине кабеля, когда его
любой участок можно рассматривать
как упругий стержень с закрепленными
концами. Эти силы .11егко вычисляют-
42

- --- ------------------~-----
ся, если известны средний приведенный модуль упругости оптического кабеля,
средний прннеденный коэффнциен<r линейного температур н ого расширения кабе­
ля и площадь его поперечного сечения. Например, длн кабеля с плотным рас­
положением его элементов, состоящих из N световодов с покрытием, армиру­
ющего элемента и оболочки, величину внешних сил приближе н но можно опре­
делить 110 следующей формуле:
Fт= ЛТ(S0Eaaa + NSnE11an + NE8S8a8 + S0E0a0),
где S - площадь поперечного сечения элемента; Е - модуль упругости матери-
2ла; а - коэффициент .rшнейного температурного расширения. Индексы а, в,
п, о относятся к армирующему элементу, волоконному световоду, его покрытию
и оболочке кабеля соответственно.
Кабель, уложенный в кабельную канализацию, подвержен меньшей силе,
чем кабель, уложен н ый непосредственно в грунт, так как сцепление между кабе­
J:ем и трубопроводом невелико. Внутренние напряжения в кабеле возникают
благодаря различию температурных коэффициентов расширения элементов ка­
беля и силам трения между ними.
Кроме механических воздействий температурные изменения среды, окружа­
ющей кабель, вызывают изменения его физических параметров (например, по­
казателя преломления материала световода), но, как будет показано ниже, вли­
яние механических сил на характеристики передачи является преобладающим.
Вредное влияние на проложенные в земле кабели оказывают содержащие­
·СЯ в грунте различные химически агрессивные примеси и влага. Влага являет­
ся основным фактором, ограничивающим надежность и срок службы кабеля .
Повышенная влажность внутри кабеля может быть следствием проникновения
влаги через поврежденную оболочку и диффузии через оболочку.
Рассмотрим изменение влажности внутри кабеля, обусловленное диффузи­
-ей. Известно, что при высокой температуре воздуха относительная влажность
мала, при понижении же те:vшературы она растет и может достичь насыщения.
Кабель, изготовленный в производственном помещении, имеет влажность, со­
•ответствующую температуре помещения. В эксплуатационных условиях кабель
находиrся в окружающей среде с большей влажностью. Это означает, что пар­
uиальное давление водяных паров внутри кабеля меньше наружного. Из обла­
сти с 66лыuим давлением пары (через оболочку кабеля) будут переходить в
()бласть с меньшим давлением до тех пор, пока давление не уравновесится. Та­
кие явления описываются уравнениями диффузии, из которых можно получить
более удобное для практических расчетов уравнение:
dp
dQ=- РвлS--dt,
dx
где dQ - масса воды, переместившейся в те•1ение промежутка времени dt;
Р с л - коэффициент влагопроницаемости; р
--
парциальное давление паров вла­
rи; х - толщина преграды, через которую происходит диффузия.
Если п'реградой для влаги является оболочка кабеля, то, переходя от бес
конечно малых к конечным величинам, можно из данного уравнения получить
формулу для расчета количества воды, проникшей в кабель:
Q = 2тс _P_s_лL_Л_p_t_
ln IDн/D8)
(2.12)
где L - длина кабеля; Dн, Dв
-
соответственно внешний и внутренний диаметры
оболочки кабеля; Лр-разиость парциальных давлений снаружи и внутри кабеля.
43

При поступлении в кабель влаги общее давление в кабеле увеличивается.
С учетом этого изменения из (2.12) можно определить время, в течение кото­
рого внутрь кабеля проникает определенное количество воды (2 .4]:
D
Qin-н!n
Dв
р,., - р:
(2.13)
где Рн - наружное давление; ;;~-давление в кабеле до начала диффузии; Р~­
давление в кабеле в момент t после начала диффузии.
Как видно из (2.13), время проникновения влаги обратно проnорциональнG
коэффициенту влагоnроницаемости Рв.~- Его значение для раз личных ма териалов
колеблется в широких пределах. НаГ)ример, у металлов значение Р вл в 109 раз
меньше, чем у полиэтилена.
К электрическим воздействиям на оnти 1 1 еский кабель относятся электро­
магнитные поля, создаваемые промышленными электроустановками, мощными
радио- и телепередатчиками. и грозовые разряды. Влияние электромагнитных
полей указанных источников непосредственно на параметры световода ничтож­
но, поэтому учитывать его следует лишь при наличии в оптическом кабеле ме­
таллических проводников или металлических защитных оболочек.
ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ
Рассмотренные условия прокладки, монтажа и эксплуатации
оптического кабеля определяют основные требования, предъяв­
ляемые к его конструкции.
Прежде всего конструкция кабеля должна быть такой, чтобы
он был устойчив к механическим воздействиям при прокладке,
монтаже и эксплуатации. Это означает, что значения передаточ­
ных характеристик кабеля не должны выходить за установленные
пределы в течение всего срока службы кабеля при воздействии на
него растягивающих усилий, изгибающих моментов, сил, закручи­
вающих его вокруг оси, поперечного сжатия, вибраций и ударных
нагрузок. Вполне понятно, что, предъявляя требования к кабелю ,
значения допустимых усилий, которые должен выдерживать ка­
бель, необходимо определять по максимально возможным значе­
ниям усилий, возникающих при конкретных условиях строитель­
ства и эксплуатации линий связи (ГТС, междугородные ли­
нии и т. д.).
Одна из наиболее важных характеристик конструкции кабе­
ля - допустимое усилие на растяжение. Эту характеристику для
кабелей ГТС следует рассчитывать по усилиям, возникающим при
прокладке в телефонную канализацию, так как именно в данном
случае кабель испытывает наибольшие растягивающие нагрузки.
Усилие тяжения при прокладке в канализацию зависит от стро­
ительной длины кабеля, массы единицы длины кабеля (см. (2.1)
и (2.2)) и используемого метода прокладки. Поэтому выбранное
значение строительной длины в значительной мере влияет на тре­
бование к допустимому усилию на растяжение кабеля.
44

При прокладке кабеля непосредственно в грунт с помощью ка­
белеукладчика продольные нагрузки (см. (2.5)) на кабель доволь­
но велики. Если же соблюдаются равномерные движения кабеле­
укладчика и сматывание кабеля с барабана, то усилие тяжения F 1
на входе в кассету кабелеукладчика невелико и согласно форму­
ле (2.6) продольное усилие, действующее на кабель, также неболь­
шое . В тех случаях, когда трассу пересекают построенные подзем­
ные сооружения н использование кабелеукладчиков не представ­
ляется возможным, прокладку ведут путем протягивания кабеля
по дну предварительно отрытой траншеи. При этом методе про­
кладки к кабелю предъявляются более жесткие требования на ра­
стяжение (см. (2.1) и (2 .2)), поэтому именно его надо принимать
во внимание при определении допустимого усилия на растяжение
кабелей, укладываемых непосредственно в грунт. Строительную
длину оптического кабеля, исходя из соображений получения мень­
шего затухания на сростках кабеля и уменьшения объема монтаж­
ных работ при строительстве линии связи, целесообразно выби­
рать как можно большей, так как при этом уменьшаются затра­
ты на сооружение линии. В то же время увеличение строительной
длины требует увеличения допустимого усилия на растяжение,
что в свою очередь приводит к увеличению массы кабеля и его
удорожанию. Кроме того, увеличение строительной длины требу­
€Т более совершенной технологии изготовления световодов и бо­
.пее строгого их отбора при проверочных испытаниях, что также при­
водит к росту стоимости кабеля.
Таким образом, выбор строительной длины основывается на не­
скольких противоречивых факторах. Влияние каждого из них на
выбор строительной длины может изменяться в процессе развития
техники волоконно - оптических систем передачи. Поэтому опти­
малыюе значение строительной длины оптического кабеля на каж­
дом этапе развития техники волоконно-оптических систем переда­
чи, по-Бидимому, будет разным. В настоящее время строительная
длина кабелей для ГТС выбирается в пределах 500 ... 1500 м, а ка­
белей для междугородных линий связи - 1000 ... 3000 м. Оптиче­
ские кабели для городской сети с числом световодов, не превыша­
ющих 10 .. . 16, обычно (при использовании современных материа­
лов в конструкции) имеют массу 1 км порядка 50 ... 150 кг . В свя­
зи с этим конструкции кабелей ГТС должны выдерживать растя­
гивающие нагрузки в пределах 120 ... 1200 Н. Кабели междугород­
!-!ЫХ линий связи благодаря значительной массе единицы длины
из-за наличия брони и большей строительной длине должны до­
пускать значительно б<'JЛьшее продольное растяжение. Опреде­
ление требования на допустимое растягивающее усилие к таким
кабелям по выражениям (2 .1) и (2.2) может привести к большим
значениям определяемой величины, что удорожит конструкцию
кабеля. В таких случаях требования на допустимое растягива­
ющее усилие можно, однако, ограничить, если использовать для
данного кабеля способы прокладки, при которых на прокладывае­
мый кабель действуют меньшие растягивающие нагрузки, напри-
45

мер прокладка с петлей (см. гл. 6). Такое компромиссное реше­
ние целесообразно, если снижение требования к кабелю и приме­
нение указанных способов прокладки экономически оправдано.
Вопрос о радиусе изгиба оптического кабеля целесообразно
рассматривать ксходя из требований к прокладке, монтажу и экс­
плуатации с учетом допустимости таких изгибов для элементов
кабеля (световодов, оболочек и т. д.).
Кабели ГТС подвергаются изгибу при прокладке и особенно
при выкладке в смотровых устройствах (коробках и колодцах) .
Смотровые устройства представляют собой подземные камеры ,
преимущественно железобетонные, установленные по тр 'ассе ка­
бельных трубопроводов и предназначенные для протягивания че­
рез них кабелей, сращивания строительных длин, осмотра кабе­
лей, измерений, отыскания повреждений и т. п. Колодцы подраз­
деляются по форме на станционные, проходные, угловые и развет­
нительные. Кроме того, коло_т1.цы (кроме станционных) подразде­
ляются по размерам: малого (ККС - 3), среднего (ККС-4) и боль­
шого (ККС-5) типов. В колодцах малого типа кабели при вы-
1<:ладке изгибаются с наименьшим радиусом, который равен 225 мм .
Поскольку экономически выгодно оптические кабели прокладывать
в существующих канализационно - кабельных сооружениях, то же­
лательно, чтобы конструкция кабеля допускала изгибы с ради­
усом, соответствующим радиусу изгиба в колодце малого типа.
Допустимость такого изгиба с точки зрения сохранения це­
.'юстностн световода очевидна, так как допустимый радиус изгиба
современных световодов составляет несколько миллиметров. По­
этому ограничение на изгиб вносят другие элементы оптического,
ка беля, в частности его оболочка или защитный покров (см. (2.4)).
Для кабелей с медными жилами допустимый радиус изгиба Rи
обычно связывают с диаметром кабеля и кратностью изгиба:
Rн=nиDк,
где пи - кратность изгиба.
Установлено, что для кабе.пей ГТС с медными жилами и пласт ­
массовой небронированной оболочкой минимальное значение пи=
= 12, а с бронированной оболочкой пи= 15 [2 .6]. Такие же значения·
должны быть естественно выбраны для оптических кабелей с ана ­
логичными оболочками. Следовательно, условию «универсально­
сти», т. е. допустимости использования во всех типах колодцев ,
могут удовлетворять оптические кабели в пластмассовой неброни­
рор,анной: оболочке, имеющие диаметр не более 18 мм.
Как выше отмечалось, оптический кабель наряду со статиче­
скими изгибами, испытываемыми в процессе эксплуатации, подвер ­
гается кратковременным изгибам при прокладке и монтаже. В про­
цессе прокладки он изгибается при вводе в колодец, кабельный·
канал, а также при каждом повороте трассы. При монтаже кабель..
изгибается один или несколько раз на каждой операции. Общее·
число изгибов при прокладке и монтаже может достигать 20-25.
Следовательно, к конструкции кабеля должны предъявляться тре-
46

бовани51 на устойчивость к соответствующему числу изгибов с до ­
пустимым радиусом.
Рассмотрим, каким требованиям должна удовлетворять конст­
рукция оптического кабеля по устойчивости к боковому давлению
(поперечному сжатию). При эксплуатации кабель, уложенный в
грунт, испытывает относительно небольшое поперечное сжатие,
определяемое выражениями (2.8)-(2.1 О). В кабельной канализа­
ции кабель сжимается другими кабелями, находящимися над ним
в канале, что также не является большой нагрузкой. Несколько,
большие поперечные нагрузки могут воздействовать на кабель при
прокладке, если используются. направляющие ролики или колено.
Тогда согласно (2.7) боковое давление может составлять 0,1 ... 0,15,
продольной силы, прикладываемой к кабелю при протяжке. Од­
шшо при строительстве линий нередки случаи, не предусмотрен­
ные технологией прокладки и монтажа (например, сдавливание
ногой человека, случайно наступившего на кабель, ребром щеюr
катушки с кабелем и т. д.). В расчете на подобные ситуации боко­
вое давление, которое должен выдержать кабель, выбирается с
запасом, в несколько раз большим по сравнению с полученным
из расчетов по формулам (2.7)-(2.10).
Конструкция кабеля должна обеспечивать функционирование
t:'ГО при воздействии климатичес1шх факторов. Как уже отмеча­
лось, годовой перепад температур на глубине залегания кабеля
может достигать нескольких десятков градусов . Учитывая стати ­
стику колебаний температур в различных районах страны, ГОСТом
установлен диапазон температур -40 .. . + 50°С, при котором э л ек­
трические кабели связи должны устойчиво работать . Очевидно, оп­
тические кабели должны работать при тех же температурах. Кон­
струкция оптического кабеля должна быть такой, чтобы при дан ­
ном диапазоне температур из-за различия температурных коэффи­
пиентов расширения (КТР) элементов кабеля не возникали внут­
ренние механические напряжения, приводящие к изменению ха ­
рактеристик кабеля. Более того, конструкция должна обеспечивать
устойчивость кабеля к внешним силам, возникающим благодаря
различию между температурными коэффициентами расширения
кабеля в целом и окружающего грунта. Как внутренние, так и на­
пряжения, возникающие из-за внешни х сил, можно уменьшить, вы­
бирая для конструкции кабеля материалы с малыми температур•
ными коэффициентами расширения. Следовательно, в конструкции
кабеля необходимо использовать материалы с небольшими значе­
ш~ямн . КТР или во всяком случае с малым различием их. Если та­
кие материалы не представляется возможным подобрать, то при­
ходится увеличивать допустимое усилие на растяжение кабеля с
целью обеспечения его устойчивости к внешним силам, а также
нспользовать различные конструктивные решения для исключения
внутренних напряжений в кабеле . Эти мероприятия осуществляют­
ся, как будет показано ниже, путем выбора упруго-прочностных
характеристик материалов элементов кабеля, их размеров, взаим •
ного расположения и взаимодействия .
47

Важным свойством конструкции кабеля , как уже отмечалось ,
яв л яется ее способность защищать световод от влаги. Это означа ­
€Т , что конструкция кабеля должна быть герметичной . Для обес­
п ечения такого требования необходимо решить две задачи -
и сключить или, по крайней мере , ограничить радиальное (через
о бо л очки кабеля) и продольное (между неплотно прилегающими
элементами кабеля) проникновение влаги. Продольная герметиза­
ция необходима для локализации места проникновения влаги при
п овреждении оболочек, а также для исключения продольного пе •
ремещения влаги в неповрежденном кабеле при циклических из­
менениях температуры. ПосJlеднее явление объясняется тем, что
п ри циклических сменах температуры проникшие благодаря диф­
фузи и через оболочку парьr воды конденсируются. Ввиду того, что
кабель по всей длине не лежит строго горизонтально, при отсутст­
вии продольной герметизации вода, образовавшаяся в результате
конд енсаци и , может стекать по кабелю в направлении нижней
точки трассы и там накапJtиваться.
В электрических кабелях связи вопрос предохранения от влаги
чаще всего решается содержанием их под избыточным газовым
давлением. Для кабелей всех типов у нас в стране принято посто­
янное избыточное давление 44 .. . 108 кПа . В качестве газов в ос­
н овном используются азот и воздух .
Данные эксплуатации показывают, что в проложенных в кана­
лизации кабелях больших размеров (диаметра) при подаче сжа­
того воздуха интенсивность неисправностей уменьшается на 35 %.
Од нако применение этого способа защиты от влаги в кабелях ма ­
лого размера, имеющих высокое пневматическое сопротивление,
.а так ж е в линиях с большим числом ответвлений и распределите­
Ji ей нецелесообразно . По данным Управления электрификации
с ель ских местностей США (REA) под давление целесообразно ста ­
вить только кабели емкостью свыше 150 пар. У нас в стране
кабели типов ЗК, ВКПА, КСПП, имеющие малый диаметр и, сле­
довательно , высокое пневматическое сопротивление, под давлени­
ем не содержатся. Герметичный участок на магистральных и внут ­
ризоновых линиях связи обычно совпадает с усилительным участ­
ко м. Длина секции герметичности составляет для кабелей
КМ-8 /6-24 км, КМ-4 и МКТС-4-18 км, МКС-4Х4-20 км .
Д и аметры оптических кабелей меньше , чем у электрических
кабелей, поэтому получить низкое пневматическое сопротивление
весьма затруднительно. Кроме того, предпочтительная длина ре­
генерационного участка магистральной или внутризоновой линии
связи 30 ... 100 км. Так как секция герметичности обычно совпа­
дает с регенерационным участком, то длина секции также соста­
вит 30 ... 100 км . При такой большой длине секции герметичности
и высоком пневматическом сопротивлении кабеля организовать со­
держание кабелей под избыточным давлением и осуществлять кон­
троль его состояния технически сложно и экономически малоэф­
фективно. Уменьшение же пневматического сопротивления связа­
но с увеличением диаметра кабеля и его массы, что также мало-
48

эффективно. Таким образом, вопрос защиты световодов от влаги
должен решаться путем создания конструкций кабеля с радиаль­
ной и продольной герметизацией. Последнюю целесообразно осу­
ществлять с помощью гидрофобных заполнителей.
2.2 . ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ
СВЕТОВОД КАК ЭЛЕМЕНТ КОНСТРУКЦИИ
Световод как и любая составная часть конструкции оптическо­
го кабеля находится в механическом и тепловом взаимодействии с
другими его элементами. В кабеле световод испытывает ряд ме­
ханических нагрузок: осесимметричное сжатие, осевые растяжения
и сжатия со стороны обжимающих его оболочек; одностороннее
поперечное сжатие, изгиб и закручивание со стороны армирующе­
го элемента, оболочек кабеля и других его элементов. Эти нагруз­
IШ могут быть как «внутреннего» происхождения, обусловленные
особенностями конструкции кабеля, так и «внешнего» происхож­
дения, вызванные внешними механическими воздействиями на
кабель. «Внешние» нагрузки на световод возникают вследствие
ограниченности защитных свойств демпфирующих элементов и по­
кровов. Температурные колебания окружающей кабель среды пе­
редаются и на световод, что, с одной стороны, изменяет оптические
характеристики материала световода, а с другой- приводит к по ­
явлению дополнительных механических нагрузок на световод из-за
разны х температурных коэффициентов линейного расширения ма­
териала световода и его покрытий.
Рассмотрим влияние различных видов механических нагрузок
на непокрытый световод, используя методы, описанные в [2.7].
Исследование осесимметричной нагрузки необходимо с целью
выяснения степени влияния на характеристики световода давле­
ния, производимого защитными покрытиями световода , плотно об­
жимающими световод. Такое давление может возникнуть при со­
держании кабеля под избыточным газовым давлением , а также
при прокладке кабеля под водой.
Считаем, что двуслойный световод представляет собой длинный
круговой цилиндрический стержень, состоящий из центрального
сплошного цилиндра, характеризующегося упругими постоянными
Е 1 , 111 (сердечник световода), и полого цилиндра с упругими по­
стоянными Е2 и μ2 (отражающая оболочка световода) , боковая
поверхность которого подвержена давлению. Торцевые поверхно­
сти предполагаем свободными от действия нагрузок.
Как известно, уравнение равновесия изотропного тела в слу­
чае приложения внешних сил к его поверхности можно записать
в виде
2(1 - μ) grad divи-( 1-2μ) rot rot и=О,
где ~t - коэффициент Пуассона: и - вектор смещения при дефор­
мации.
4-1149
49

Введем цилиндрические координаты r, qJ и z; последняя совпа ­
дает с осью световода . При постоянном вдоль длины световод а:
осесимметричном давлении деформация цилиндра представляет
собой радиальное см~щение ur = и (r), где r- текущий ради у с све­
товода. Поэтому rot и= О и уравнение равновесия принимает вид :
Отсюда
divи= 1 d(ru) =const.·
r
dr
u=Ar +В/r ,
где А и В - постоянные интегрирования .
(2.14)
Для рассматриваемой задачи обобщенный закон Гука можно
выразить через ко1шоненты тензора напряжения и тензора дефор ­
мации в следующем виде :
1
err = Е [ar; -1 -1 (a'f''f' +a.zz) ];
(2.15)
где Е -- модуль Юнга; arn a'f' 'f '•
azz- диагональные компоненты тен­
зора напряжения.
Здесь диагональные компоненты тензора деформации
_
дur .
_
1 дu'Р+llr .
_
дuz •
err ---, e'f''f'_. -
--
--,
ezz --- .
дr
r
д9
r
дz
(2.16)
Из (2.14)-(2.16) с учетом того, что в направлении оси свето­
вода сила не действует (azz =0), получим
ar, =
Е [А (1 + 1-1)-B(I --ш) r\] ;
1--1-12
a'f' 'f =
Е [А(1+1-1)+В(1-1-1) r\].
1- 1-12
Используя последние выражения, можно определить постоян ­
ные А и В, исходя из граничных условий. Граничные условия
устанавливаем в предположении , что при действии давления Р"
па наружную поверхность внешнего цилиндра с радиусом rн по­
верхность внутреннего цилиндра с радиусом Гвн подвергается дав­
лению Р. Такое же давление, но противоположного направления,
действует со стороны внутреннего цилиндра на внутреннюю по­
верхность внешнего цилиндра. В этом случае граничные условия
можно записать следующим образом: если r = rн, то arr =-Рн;
если r = Гвн, то (J rr =-Рви • Таким образом, для полого цилиндра
(задача Лямэ), определив из граничных условий постоянные А
и В, получим:
50
--------

l- 1-1
U=
---
E
(2. 17)
cr,, = ------- +
'Р'Р
г2- г2
r2(r2- г2)
н
вн
н
вн
(2.18)
Определим величины а и и в сердечнике и отражающей обо­
лочке световода. При воздействии на поверхность световода дав­
J1ения Р0 изменение радиуса сердечника а должно быть равно по
абсолютному значению изменению внутреннего радиуса оболоч­
ки Ь. Обозначив нозникающее при этом давление на сердечник
через Рср и полагая в формуле (2.17) Гвн=О, Гн=Г=а и Рн=Рср,
получим изме н ение радиуса сердечника
1- !11
llcp= -
--- Рсра.
Е1
Изменение радиуса оболочки Иоб находим также через (2.17) ,
полагая Гвн=r = а; Гн = Ь; Рвн = Рср; Рн=Ро:
а= 1- !-12 iИа+1+f-L2 Nab
об
Е
Е
'
2
где М = (Рсра2-Р0Ь2)/(Ь2-а2); N = (Рср-Р0)/(Ь2-а2).
Тогда
Рср=Ро
2Е,Ь2
.(2.19)
Е2(1 - f!,1)(Ь2- а2)+Е1[(Ь2- а2)-1-12(Ь2- а2)]
Значение напряжений определяется из выражений (2.18) : в
сердечнике (O<r<rcp) crrr = ·а'Р'Р = -Рср, в оболочке (rcp< •r<raб)
а2ь2
а2ь2
сrгг=М- - - N;cr'P'P=М+--N .
(2.20)
r2
r2
Под воздействием механических нагрузок в результате эффекта
фотоупругости кварц и стекло становятся оптически анизотропны­
ми, т. е. направления главных осей эллипсоидов волновых норма­
лей и напряжений совпадают . Зависимость диэлектрической по­
стоянной среды е от механического напряжения а выражается сле­
дующими соотношениями:
1
l
-
--=
q11°xx + q12 (0уу + 0zz),
8хх
8х
(2.21)
где qll и q ,2 - упруго - оптические коэффициенты напряжения . Оси
координат х, у, z при этом совпадают с направлениями главных
4*
51

осей тензора напряжений. Двойные индексы при в показывают,
что да нная величина является компонентой тензора диэлектриче­
ской постоянной. Одиночные индексы при в показывают , что дан­
ная величина является главным значением диэлектрической про­
ницаемости.
На практике же в подавляющем большинстве случаев в; -в«в,
где в;- диагональные компоненты тензора диэлектрической по­
стоянной (i=x, у, z). Поэтому можно с большой точностью счи­
тать, что в; - в- =2п(п;-п ), где п-показатель преломления
невозмущенной среды. Отсюда связь между составляющими тен­
зоров напряжения и показателя преломления, например, в цилин­
дрических координатах может быть представлена в виде :
l
n, - n =С1аг,+С2(cr9'1' + а,,);_
n9- n
-
С1агг + С2(аг, + azz),
nz- n = C1azz+С2(аг,+cr9,f).
(2.22)
Здесь n; (i=r, ер, z)-диагональные компоненты тензора показа­
теля преломления; Cr, С2 -фотоупругие константы (абсолютные
о птические коэффициенты напряжений) .
Учитывая, что для сердечника arr = crq, 9 = - Рер• и используя
выражение (2.22), можно записать тензор показателя преломле­
ния сердечника:
+-->
(\+аг
(n1)r, 'Р, z = n1
о
о
о
1+а'Р
о
о
.
о)
l+az '
a,=aq,= -
Сер1-- Сер2
2Сер2р
------Р ·а=--- ер ·
n
ер, z
n
Аналогично из (2.22) и (2 .20J
п реломления оболочки:
(1+У/г
+-->
(n2),,9,z=n2 ~
определим тензор показателя
о
l+ "f/'f)
о
о
.
о)
l+"f/z ,
М
N а2Ь2
М
У/г=(Соб 1 + Соб 2)
-
:t(Соб2+Соб1)- --; "f/z=2Соб2
-
"
п
пr2
п
Полученные тензоры позволяют вычислить наиболее важные
пара м етры световода, определяющие характеристики передачи, -
разность показателей преломления сердечника и оболочки, изме­
нение постоянных распространения мод. Данные тензоры являют­
ся диагональными. При этом равные значения коэффициентов пре­
ломления сердечника в радиальном и круговом направлениях
(п,,+ n1 'P ) не зависят от r.
В оболочке же все значения коэффициентов преломления в на­
правлениях r, ер, z различны, а n2, и n2 "' являются функциями
от r. Следовательно, сердечник и оболочка при равнораспределен-
52

ном п о длине осесимметр и чном давлении становятся соответствен­
но одноосно и двуосно анизотропными.
В сердечнике оптическая ось параллельна оси световода, а
оболочка наряду с анизотро п ией приобретает «градиентные» свой­
ства. На рис . 2.2 представлены рассчитанные зависимости компо­
нентов тензоров показателей преломления сердечника и оболочки
от приложенного давления Р0 . Изменения компонентов тензора
показателя преломления оболочки в зависимости от расстояния до
оси световода показаны на рис . 2.3 . Вычисленные изменения отно­
сительной разности показателей преломления на границе «сердеч­
ник-оболочка» при давлении Р0 = 9,8-1O6 Па имеют следующие
значения: ar---~ r=-3,9-1O-6 ;
а,,- 11-+=-4,4-10-6; a.z--~z =
= - 4,1- 10-6
.
В расчетах использовались значения параметров : n1 = 1,47 ;
Сср2= -2,95-1O- 12 м 2/Н; а=2,5-1O-- 5 м; Е1 = 7,827-1O 10 Н/м 2 ; μ 1=
=0,256; Ccp1= O,5-IO- 12 м2/Н; п2 =1,46 ; b = l,5- IO- 4 м;
Е2=
= 5,86- 1010 Н/м2;
μ2 = 0,2; Соб1= -3,64· 1О-12 м2/Н; Соб2=
=-6,41 - 10 12 м2/Н.
Результаты расчета показывают, что разность между одно­
именными компонентами тензоров показателя преломления сер­
дечника и оболочки линейно уменьшается с ростом давления . Од­
нако эти изменения невелики и, следовательно, не должны значи ­
тельно влиять на полосу пропускания и затухание световода . Вы­
воды, полученные на основе расчета, проверялись эксперименталь­
но. Для исследования влияния осесимметричных нагрузок исполь­
зовалось устройство, создающее гидростатическое давление на све­
товод или элементы кабеля и исключающее влияние механических
нагрузок других типов.
Устройство представляло
Пz(r,!P, z)-пz
п1 (r, !Р, z)-п1
5.70-5
Рис . 2.2 . Изменение показате ­
лей преломления сердечника и
оболочки в зависимости от
приложенного
осесимметрич-
ного давлен и я
собой цилиндрический резервуар
с внутренним диаметром 220 мм .
В него свободно петлями у кла ­
дывался световод, концы которо­
го через специальны е уплотните-
53
nzг 11z
0,5-10-..
Пzz-nz
Пz,р-Пz
Пzг-Лz
g.,o-5
1
1,5
z
Z,5
r/a
Рис. 2.3 . Изменение показателей
преломления сердечника и обо­
лочки вдоль радиуса световода
при осесимметричном давлении

ли выводились наружу. Это дало возможность подключать свето­
вод непосредственно к источнику излучения и приемнику . Резер­
вуар плотно накрывался крышкой с установленным на ней мано­
метром и поршнем · для создания давления. Затем устройство за­
полнялось водой . При удалении остатков воздуха из резервуара
плавно изменяли давление от О до 106 Па . С целью определения
зависимости затухания от Р0 были исследованы кварцевые свето­
воды диаметром 150 мкм с сердечником диаметром 50 мкм без
покрытий, плотно обжатые полимерным покрытием и свободно
уложенные в полимерное покрытие (трубку).
На рис . 2.4 представлены результаты измерений. По ос~ орди­
нат отложена нормированная мощность излучения на выходе све­
товода 1/1 0 . Нормировка произведена по выходной мощности 10
при отсутствии давления. По оси абсцисс отложено давление Р 0 •
Кривая 1 соответствует кварцевому световоду без покрытия дли­
ной 100 м с начальным затуханием 12,5 дБ/км. Небольшое откло­
нение кривой 1 от единицы лежит в пределах точности измерений.
Результаты испытания световодов, плотно обжатых полимер­
ным покрытием и свободно уложенных в трубку, представлены на
рис. 2.4 кривыми 2, 3, 4 . Кривая 2 соответствует световоду в сво­
бодной трубке, кривые 3 и 4 - волокнам с плотно обжимающим
покрытием (затухания 11,6; 13,2 и 13,8 дБ/км соответственно).
Длина каждого отрезка составляла 100 м . Для кривой 3 значение
э ксцентриситета оси световода относительно оси защитного покры­
тия составляJJо 65 мкм (среднее значение), дJJя кривой 4-
155 мкм.
Исследовалась также структура модовой картины на выходе
световода. Результаты измерений показали, что в исследованных
пределах Р0 изменение затухания у световода без покрытия и
уложенного свободно в трубку не обнаруживается. Однако набJJю­
даемое изменение модовой картины на выходе световода свиде­
тельствует о некотором уменьшении его чисJJовой апертуры и, сJJе­
доватеJJьно, некотором увеличении широкополосности. Таким об­
разом, увеличение затухания обнаружено у ступенчатых светово­
дов лишь с плотнообжимающими покрытиями.
. 1/Io
z
1
J
0,9
5
4-
0,8
б
o.z
0,4 -
О,б
Pn.yA . ,о-: Н/м
0,7
о
z
4-
б
Р0 ·7О-5, па
Рис. 2.4. Экспериментальные зависи ­
мости мощности излу ч ения на выхо­
де световода от приложенных осе­
с имметричной и поперечной нагоузок
Подобные выводы можно сде­
лать и для градиентных светово­
дов при больших значениях осе­
симметричных нагрузок. Резуль­
таты исследования градиентных
световодов с разностью показате­
лей преломления сердечника и .
оболочки 1 % и затуханием
3 дБ/км на длине волны 0,85 мкм,
• покрытых
двумя оболочками,
представлены на рис. 2.5 [2 .8].
Как видно из рисунка, возраста­
ние затухания, обусловленное ги­
дростатическим давлением, воз-
54

Рис. 2.5 . Влияние гидро­
статического давления Ро
на возрастание затуха­
ния Ла градиентных све-
товодов:
А и D-диаметром 150 мкм;
В- 180 мкм: С- 210 мкм;
А, В, С - с двуслойным по­
крытием; D - без покрыти я
Лd,,
дБ/км
о
-О,5
А
в
с
л
о
zo
fr{J
Ро,МПа:
никало только в световодах с защитным покрытием, в непокрытых
же световодах изменение затухания обнаружить не удалось.
Довольно распространенными видами нагрузок на световод,
входящий в состав кабеля, являются продольное растяжение, _ из­
гиб и закручивание. Решая уравнение равновесия световода сов­
местно с уравнениями неразрывности растянутого, изогнутого и
закрученного вокруг оси световода, учитывая при этом соответ­
ствующие граничные условия и предполагая деформации малыми.
можно получить компоненты тензора напряжений для этих видов
нагрузок. При этом, как было сделано выше, световод рассматри­
вается как композитное упругое тело, состоящее из двух областей
с разными упругими постоянными. Здесь приводятся только ре­
зультаты расчетов.
При продольном растяжении до возникновения деформации б
в сердечнике световода возникают напряжения
crrr = cr'?'P = оЕ1(Ь2/а2 - 1)(!-'- 1
-
~- 2) Ар,
crzz = 0Е1 [2 (Ь2/а2- 1) (!-'-1
--1-L2)1-'-iAp+1],
а в оболочке световода
cr,, = оЕ1(b2/r2-1)(!-'-1
-
р-2) АР,
cr'P'f = 0Е1(b2/r2 +1)(!-'-2
-
!-'- 1) Ар,
crzz = оЕ2[2(Е1/Е2)!-'-2(р,2- !-'-1)Ар],
где Ар={(Ь2/а2-1) (l-μ1) (1-2μ1) + (Е1/Е2) (Ь2/а2+ 1-2μ2) (1 +
+ μ2) J-1.
Используя эти выражения для компонент тензора напряжений
и принимая для упрощения вычислений μ 1 = μ 2 (это оправдано их
малым отличием), из (2.21) получаем тензор диэлектрической по ­
стоянной при продольном растяжении световода:
(~r, 9 , z=(Ej(r)-Ej(r)e0 oEjq\~)) (~ ~
оо
Здесь lj = E0oEj (q\g - q\il); е0 - диэлектрическая постоянная в
центр<: световода, а индекс _i = 1, 2 относится к сердечнику и обо­
лочке соответственно. Следует иметь в виду, что е; (r)- изотроп­
ные значения диэлектрических постоянных сред (невозмущенных
iНапряшением сред) сердечника и оболочки. Как видно из послед-.
55

него выражения, серде ч ник и оболочка становятся при растяж е ­
нии одноосно анизотропными с оптической осью, параллельной оси
световода.
Для простого изгиба с кривизной К, когда на световод дейст ­
вует лишь пара сил, момент вращения которых перпендик у ляре н
его оси, имеем в сердечнике
а,,=-1⁄2 а1,р= KE}r (Ь4/а4- 1) (f.12 - f-11) Аи cos rp;
azz= -
KE1r [4f11 (Ь4/а4 - 1) (1-11- t-12) А11 + 1] cos ер;
а,,,= KE1r (Ь4/а4- 1) (f!-2
-
f!- 1) Аи sin ер,
а в оболочк е
arr = КE1r (Ь4Jr4- 1)(fJ,2 - f!-1)А11cos rp;
а1,,= KE1r (b4/r4+ 3)(f!-1
-
f!- 2) Аи cos rp;
azz= -
KE2r [4 (Е1 /Е2) t-12 (f!-2
-
f!-1) Л, + 1] cos rp;
а,,,= :KE1r (Ь4/Г4 - 1)(1-12 - р,1) siп'f,
где Аи = r:: (1 + f12)(b4/a4+З--4f!,2)+(3-4f11) (1 + fL1) (Ь4/а4-1) г1•
В этом случае тензор диэлектрической постоянной запишется
в виде:
о
1+ p-q(i)
J12
о
где pj = ЕоКЕ/ cos '(J) • Здесь также принято μ1 = ~t2 .
С е рдечник и оболочка становятся одноосно анизотропными с
оптической осью, параллельной оси световода, круговая симметри я
исчезает . В направлении, перпендикул я рном плоскости изгиба ,
напряжений не возникает, и световод остается анизотропным.
Если световод подвергается простому кручению, т. е. внешняя
нагрузка представляет собой пару сил, момент вращения которых
приложен к оси световода, то напряжение в сердечнике и оболоч­
ке световода будет определяться одной компонентой a,fz =
= 0Е //[2 ( 1+ μ; ) ]. Остальные компоненты тензора напряжений
равны нулю . Величина 0 характеризует угол закручивания свето­
вода на единицу длины .
Тензор диэлектрической постоянной имеет вид :
~'•·'-
'1(r)(~ !7),
q(i) _ q(/)
еЕ
12
11
rде vj = so j --=2_,(...,...
1-+,---fL-J)-- r .
В данном случае сердечник и оболочка становятся двуосно­
анизотропными . Из трех главных осей тензора диэлектрической
56

постоянной одна остается в радиальном направлении, а две дру ­
гие повернуты относительно осей ер и z на угол л/4.
Перейдем к рассмотрению действия одностороннего поперечно ­
го сжатия световода.
Предположим, что к боковой поверхности световода приложе -­
ны распределенные не изменяющиеся по его длине силы, сжимаю -­
щие световод вдоль диаметра. В этом случае напряжения пере­
мещения и деформации не зависят от направления, совпадающего,
с осью световода. Сечения световода, перпендикулярные его оси.
при деформации не искривляются. Если считать концы световода·
свободными, то при небольших сдавливающих силах Рп задачу
об одностороннем поперечном сжатии можно с некоторым прибли­
жением свести к задаче о плосконапряженном состоянии. Для,
большей наглядности графического представления результатов,
нагружения световода (эпюр напряжений) при данном виде меха­
нической нагрузки выберем декартову систему координат, оси ко ­
торой расположим так, чтобы ось z совпадала с осью световода,.
а векторы сил сжатия были коллинеарны координатной оси у .
Так как анализ при данном виде нагружения световода достаточ -­
но сложный, то с целью упрощения примем, что световод в сече ­
нии однороден по своим упругим характеристикам. Такое допуще ­
ние не вносит значительной погрешности в вычисления , так как
разли 1 ше в упругих постоянных оболочки и сердечника невелико .
Для данной модели компоненты тензора напряжений можно пред ­
ставить в следующем виде:
,
•20i,,
•
20+2Рп )
ax,-=crSJП 1,а SIП 2
--,
•
т
т
1tldc
,
20
"
20
2Рп
(2.23}
ауу=аcos •1+cr cos 2+--,
т
т
1tldc
аху=а~ sin01 cos01
-
а; siri0 2 cos 02
,
где dc - диаметр световода; l - длина световода;
,
2Р110"
2Рп В
ат=--- COS 1; ат=--- COS 2•
1tll'1
1tlГ2
Определив из рис. 2.6 углы 01 и 02 и подставив значения <и а;
в выражения (2 .23), получим :
2Рп { (Ь-у)х2
(Ь+у)х2
1}
ахх=- . ---:;г [х2+(Ь--у)2]4 + [х2+(Ь+у)2]4 - 2Ь
'
2Рп { (Ь-у) 3
1
(Ь+у)3
1}
аУУ= ----;;г [х2 + (Ь-у)2]4 т[х2 + (Ь +у)2]~ - 2Ь. ' (2.24)
2Рп { (Ь-у)2х
(Ь+у2)х }
аху = ---:;;z [х2 + (Ь - у2]4
-
[х2+ (Ь+у)2]4 '
где Ь - радиус световода.
57

!!
.z;
Рис. 2.6. К расчету компонентов
напряжения в световоде при од­
ностороннем поперечном сжатии
Остальные компоненты тензора напряжения равны нулю. Для
-Уочек, лежащих на перпендикулярном к направлению внешних
усили й диаметре (на оси х); имеем:
0хх=~[ь2_х2 ], ]
1tlb
Ь2+х2
(2.25)
оуу=-~[64Ь2-1].
1tlb 4Ь2 +4х2
На оси уприх=Оимеем:
Рп
0 хх=--,
1tlb
0=__
Рп.(1+1
1)
уу
1tlb Ь-у Ь+у-~
'
1
(2.26)
оху=О.
Эпюры напряжений для указанных осей, описываемых (2.25)
·и (2.26), представлены на рис. 2.7 . Как видно из рисунка, поле на ­
пряжений в световоде при поперечном сжатии имеет достаточно
-сложную структуру. Используя полученные компоненты тензора
напряжений, можно, как и в предыдущих случаях, получать тен­
.зор диэлектрической постоянной, который показывает, что свето­
вод также становится анизотропным.
Таким образом, проведенный анализ показывает, что световод
при различных видах механических нагрузок становится анизо­
тропным. При распространении излучения через анизотропный
-световод возникают две ортогонально-поляризованные волны. Это
является одной из основных причин уширения импульса при при­
ложенных механических нагрузках, так как из-за оптической ани­
.зотропии возникает разница в постоянных распространения поля­
ризованных волн, плоскости поляризации которых по разному ори­
.ентиро ваны относительно приложенных сил.
Результаты расчетов показывают, что возникс~ющая анизотро-
58

!/
у
х
х
Рис. 2.7. Эпюры напряжений при поперечном сжатии световода:
а- на оси х; 6 --на оси 1f (знаки «+» и «-» при компонентах на­
пряжений nзначают соответстьенно растяжение и сжатие)
nия при реально возможных нагрузках не вызывает значительных
изменений характеристик многомодовых световодов передачи. В то
же время экспериментальные исследования [2.7] показывают, что
при некоторых видах нагрузок, в частности при одностороннем по­
перечном сжатии, заметно увеличивается затухание.
Исследования односторонней п оперечной нагрузки проводились
•С помощью установки, состоящей из двух металлических плит. На
одну из плит с закругленными краями (радиусом, превышающим
допустимый радиус изгиба непокрытого световода) наматывался
,световод. На световод накладывалась вторая плита, на которую
затем устанавливались различные грузы. Часть намотанного на
первую плиту световода оказывалась зажатой между гранями обе­
их плит. Наматывая различное число витков на первую плиту,
можно было изменять длину участка свето в ода, находящегося под
поперечной нагрузкой. Исследовались световоды длиной 80 ... 100 м;
при этом под нагрузкой находились участки световода длиной
28,.. 36 м.
На рис. 2.4 п оказано изменение нормированной мощности на
выходе испытуемого не п окрытого световода в зависимости от по­
перечной силы Р п , приложенной к 1 м световода. Кривые 5 и 6 со­
•ответствуют световодам с различными числовыми апертурами и
длинами нагружаемых участков 28,8 и 36 м. Кривая 5 соответст­
вует световоду с большей апертурой. Полученные результаты сви­
детельствуют о значительном изменении затухания при изменении
поперечной нагрузки. Нетрудно подсчитать, что уже при Рп.уд=
= 1 Н/м прирост затухания для кривых 5 и 6 составляет 3,8 и
11,3 дБ/км соответственно.
Об увеличении затухания упоминалось также при рассмотрении
осесимметричной нагрузки, действующей на световод с защитным
покрытием.
Эти факты с достаточным основанием позволяют заключить,
что увеличение затухания в указанных двух случаях происходит
59

благодаря появлению случайных небольших изгибов световода .
Действительно, появление изгибов при поперечном сжатии можно
объяснить неровностью поверхности плит, к которым прижима ­
лись световоды (подобно описанной в 1[2 .9] намотке с натяжением
непокрытого защитной оболочкой световода на необработанную
поверхность барабана). При осесимметричной нагрузке изгибы мо­
гут появляться из-за несоосности световода и покрытия. В данном
случае толщина стенок покрытия разная и через них на све т ово д
передается несимметричная относительно оси нагрузка, что приво­
дит к изгибам световода.
Обратимся к температурным воздействиям на световод . з ащит­
ных покрытий. Влияние температуры окружающей среды на ха­
рактеристики передачи световода прежде всего может сказаться
через температурные изменения показателя преломления сердеч ­
ника и светоотражающей оболоч к и световода. Эти изменения ха­
рактеризуются термическим коэффициентом показателя преломле­
ния ~т =dn/dT. В свою очередь Sт также зависит от температуры.
Показано, что в так называемой области «нормального состо яния»
стекла, заним а ющей диапазон от -100°С ДО нижней границы зоны
отжига, з начение ~ т увеличивается с повышением температуры
по линейному закону. Например, з начение d1 ~ т /dT довольно устой­
чиво для стекол определенных областей химического состава и из­
меняется в пределах 0,16 ... 0 ,28 - l0-7 °C-2
.
Само же значени е ~ т
для чистого кварца примерно равно 10-5 0 с- 1 . Поэтому при рас­
смотрении влияния температуры на свойства световода вклад
d~т/dT можно не учитывать.
Температурная зависимость показателя преломления приводит
к временной задержке импульса излучения, распространяюще гося
по световоду:
~=-'-[опL+п~J.
от
сат
от
Второе слагаемое обусловлено изменением длины световода oL
с изменением температуры, которое может быть выражено в виде
0L/6T=a0 L, где ас"'='8 · 1О- 70 С- 1 -температурный коэффициент
расширения световода (сер д ечника совмес-r;_но с оболочкой) . Если
О '"С
\
временную задержку записать в виде -- =
-
[?т+пас}L,
оТ
с
то нетрудно заключить, что она в основном обусловлена темп е ра­
турным изменением показателя преломления, и можно принять
от.=бnL/с.
Экспериментальная зависимость бт, от температуры представ­
лена на рис. 2.8 [2.10]. По приведенным на рисунке графикам мож­
но оценить изменение разности показателей преломления сердеч­
ника и оболочки Лп. Для многомодовых световодов с сердечником
из почти чистого кремния и боросиликатной оболочкой согласно
кривым 3 и 1, 2 значение б (Лп) = 0,8 ·10-5 0с-1. В диапазоне темпе­
ратур -50 ... +50°С изменение .1.п составляет примерно ± 4%
(разность показателя преломления сердечника и оболочки Лп=
60

Рис. 2.8. Зависимость вре•
менн6й задержки распрост­
раняющегося импульса от
температуры светш:юда:
1 и 2 - многомодовый и од­
номодовый соответственно
градиентные световоды с
сердечником
из
чистого
кварца; 3 - одномодовый с
серде 1 11-шком из B 2 0з-Si02;
4 - многомодовый гради­
ентн ый с сердечником из
Ge02- B20з-Si02
о''!/,
нс/км
б
5
4-
J
~
2
1
о
-40
-20 о
20 40 бОт,0с•
= 0,008). Еще меньшая температурная зависимость Лп для много­
модового Ge02-B20з-Si02 световода (кривая 4).
Для одномодовых световодов (кривые 2 и 3) изменение значе­
ния нормализованной частоты V также мало и не может оказы­
вать влияние на дисперсию и поглощение световодов. Это разуме­
ется справедливо в том случае, когда значение параметра V вы­
брано таким, что температурное изменение его не может вызвать
переход от одномодового режима к двухмодовому .
Результаты, полученные при анализе данных, приведенных на
рис. 2.8, проверялись путем измерения дисперсии импульса и по­
глощения. Измерения подтвердили несущественное изменение по­
глощения и дисперсии при изменении температуры окружающей
среды [2.1 О].
Другим механизмом влияния температуры на характеристики
передачи световода является возникновение термических напря­
жений в световоде, у которого оболочка имеет более высокую тем­
пературу затвердевания, чем сердечник. Термические напряжения
связаны с упругими свойствами материалов световода, зависящи­
ми от температуры, и с коэффициентом температурного расшире­
ния этих материалов следующим образом [2.11]:
rде
crzz = S[ E(r, Т) ] [o:(r, Т)- с (Т)]dT;
т, 1- μ(r, Т)
с(Т)=
1~
cr,,= -
2- J crzz (r) rdr; cr,,,,p = crzz - cr,,,
rо
s[ E(r, T)a.(r, Т) ] rdr
0
1- μ(г, Т)
s[ Е(г, Т) ]гdг
0
1- μ(r, Т)
61

Эти напряжения вызывают в градиентном световоде, пол учен­
ном методом IVPO (NA = 0,2), изменение числовой апертуры при­
мерно на 4 % и усложняют проблему предсказания оптимального
легирования профиля показателя преломления, так как измере ­
ния показателей преломления проводятся обычно на ненапряжен ­
ных стеклах. При разработке широкополосных световодов описан­
ный эффект можно рассчитать и при необходимости провести ме­
роприятия по его компенсации [2.11] .
Таким образом, влияние температуры на характеристики пере­
дачи световодов без защитных полимерных покрытий невелико и
в большинстве практических случаев его можно не учитывать или
при необходимости компенсировать.
Рассмотренные выше механизмы влияния на характеристики
световодов механических и температурных воздействий позволяют
предположить, что указанные факторы слабо влияют на харак­
теристики передачи за исключением тех случаев, когда воздейст­
вие вызывает распределенные вдоль оси неоднородности, в част ­
ности случайные изгибы.
ВЛИЯНИЕ СВЯЗИ МОД В НЕРЕГУЛЯРНОМ СВЕТОВОДЕ
НА ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕДАЧИ
В предыдущих разделах рассматривались факторы нерегулярности светово­
да, находящегося в составе кабеля. Все описанные н ерегулярности приводят .
как уже отмечалось во введении, к связи между модами . Связь между модами
озна ч ает, что о н и у:же не р;~спространяются независимо друг от друга, а обме­
ниваются э н ергией. Направляемые моды <:ветовода благодаря нере г улярностям
связываются с модами излучения, теряют мощность из - за излучения и поэтому
испытывают дополнительное затухание. Взашуюдействие между на п равляемыми
модами изменяет дисперсион н ую характеристику многомодового световода , тог­
да как взаимодействие между направляемыми модами и непрерывным спектро м
мод излучения, кроме того, увеличивает по тери при передаче. Понимание меха­
низма изменения характеристик передачи световода из - за возникновения нере­
гулярностей в нем позволяет правильно подойти к вопросам конструирования,
кабеля.
•
Обмен мощностями между направляемыми модами и возникновение потерь
из-за излуче ния могут быть описаны теор и ей связанных мод [2.12], основная,
идея · которой заключается в том, что произвольное распределение поля в свето­
воде может быть выражено как суперпози ция направляемых и излучаемых мод .
Вектор поперечной компоне н ты электрического поля может быть выражен ·
как суперпозиция поперечных компонентов векторов излучаемых (§ j (р) и на- ­
правляемых (§, мод:
N
оо
Et= ~а,(z)(§,,+~Sа1(р,z)(§1i(р)dp.
(2.27),
v=I
jО
Здесь индекс t - поперечная компонента поля; р - п араметр излучаемых мод : ·
v - индекс моды.
Суммирование по j указывает на то, что вклады от всех типов мод излуче­
ния включены в выражение (2.27). Медовые поля &t, и (§ 11 (р) не зависят o't·
62

продольной координаты z; любая зависимость от z включена в коэффициентЬli
разложения а, .
Подставляя результаты разложения п оля в
получить связанную систему ди ффере н циаль н ых
разложения [2 . 13]:
уравнения Максвелла, можно ·
уравнений для коэффициентов.
da(+>
_ 1'-_
= -iP. а<+>
- 1 _ ~ (К<+, +>а(+)+ К(+,-> аН)
dz
l"I '-
1'-
'
~ 1'-"
,
1и','(2.28),
daH
~
-
11·-
= + iР1д<-> +..;,,,, (Ю-, +>а<+)+ к<-- ->аН)
dz
r1μ
•)
μ\1
v
11-v
"
'
(2.29),
где а~+). а!,- - коэффициенты разложения волн, идущих соответственно в
прямом и обратном направлениях по z, а их сумма а~+)+ а!->= а,, μ - модо­
Р.ЫЙ индекс.
Коэффициенты связи v - й и μ - й мод о п ределяются (приближенно) следу ­
ющим образом:
ш-
ОС)
-
Ki~· q) = 4~ро SS(n 2 - п~д) [pi&'~/6,t + q&~/6,z] dxdy.
i-w
Здесь п =n (х, у, z) представляет собой расп ределение показателя прело м ления
нерегулярного световода, а п"д ~-=nнд (х, у) - распределение показателя прелом­
ления идеального (регулярного) световода, которое используется для определе­
ния мод при разложе н ии в ряд (2.27). Символы р и q принимают значения
«+» и «--» . Нормализующий коэфф и циент Р определяется условием ортонор­
мировання.
Точное решение систем уравнений (2.28) и (2.29) невозможно. Однако ме­
тодом возмуще н ий можно получить ре ш е н ия для ряда частных случаев, пред•
ставляющих практический и н терес. Например, если в нач3ле световода сущест­
вует мода с v = μ, то, пренебрегая связью между направляемыми волнами, дви­
жущимися в противоположных на п равлениях, можно получить следующее при•
ближенное выражение для коэффициентов амплитуды других мод:
z
а~+)(z) =а~+>(О) e - i~, z Sк~:·+>(z1) ei<~, -~11-> z' dz'.
о
Из этого выражения можно сделать важные заключения: процесс связи яв­
ляется строго пер»одическим, эффективно связываются только две из направ­
ляемых М()Д световода, эффективная связь между модами происходит на про­
странственной частоте ~. -
~
1,.
Если на п равляемая мода v = μ, распространяющаяся в прямом направле­
нии, связана с модами излучения, то мощность ЛР, передаваемая ими, пред­
ставляе т собой мощность, теряемую модой v= μ . Исходя из этого, можно полу­
чить выражение коэффициента потерь мощности из-за излучения для мо­
ды μ [В.21].
Здесь интегрирование, которое должно было бы производиться по парамет·
ру р, заменено на интегрирование по постоянной распространения ~ =
63

= (n~k 2-p2) 1/ 2 мод излучения, уносящих мощность. Индексы ( +) и (-) в
коэффициенте связи опущены, так как в выражении (2.20) уже отображена
связь с модами излучения, движущимися как в прямо м, так и в обратном на­
правлениях.
Выражение (2.30), таким образом, определяет взаимодействие любой на­
лравляемой моды с континуумом излучения и сводит его к простому коэффици­
,енту потерь. Процесс взаимодействия направляемых мод более сложный и его
описание с помощью уравнений связанных амплитуд (2.28) возможен лишь в
;Г~ростом случае двухмодовой связи, если связью с другими направляемыми мо­
.дами можно пренебречь.
Д . Маркузе предложил описывать распространение сигнала в нерщ:улярных
.~ветоводах с помощью уравнений связанных мощностей [2.14]:
(2 .31)
,где коэффициент связи по мощности определяется как hp.v = h,μ. = i К,μ. 1 2 Х
~Х< 1F(~μ.
-
~.) 12>.
Уравнения (2.31) справедливы при малых нереrулярностях световода, когда
-моды обмениваются незначительной частью своей мощности на расстояниях,
.сравнимых с длиной корреляции D процесса связи. Величина Рр. = < 1 а1~ 1 2 >
. в (2.31) представляет собой среднюю по ансамблю световодов мощность, пере­
.носимую ft-й модой . Суммирование производится по всем направляемым модам,
а коэффиuиент потерь по мощности 2аμ. содержит не только диссипативные
110тери, но и потери из-за излучения, определяемые уравнением (2.30) . Вели­
•чина F (~р. -
~J представляет собой фурье-преобразование функuии возмуще •
.ния f (z), описывающей отклонение нерегулярного световода от .идеальной
,модели:
(2.32)
Спектр мощности возмущений < 1 F (~k- ~.) ! 2 > и функция автокорреля­
)ЦИИ R (и) возмущения f (z) связаны взаимными преобразованиями Фурье:
00
< 1 F(~μ. -~ ,) 1 2>= SR(u)e-i(~μ.-~,>иdu .
(2.33)
-00
Пред полагае тся, что <f(z)>=O, а R(и)=<f(z)f(z+u)>=O при рассто­
·яниях и , больших длины корреляции Dир- В случае, когда функция f (z) отобра­
жает геометрические искажения световода, коэффициент связи Кр., можно пред­
ставить как произведение функции f (z) на независимый от z коэффициент-К1и.
Уравнения связанных мощностей (2.31) значительно проще урав нений свя­
_ эанных ам плит уд (2.28) потому , что они образуют систему конечного числа
,уравнений с постоянными и симметричными коэффициентами связи, которую
всегда можно решить. Однако уравне ния связанных мощностей не содержат
-никакой информации о фазе и применимы только для средних по ансамблю
мощностей каждой моды.
64

Общее решение уравнений (2.31) можно представить следующим образом:
N
Pμ. (z) = ~ CnA~n)e-~ nz.
(2.34)
п-1
Для нахождения величин cr п и А~п) необходимо определить собственные
значения системы однородных уравнений: :
N
I [h,μ + (сrп -2а.; - Ь,) о1"] A~n) =~О,
(2.35)
v=l
N
rде Ь, = ~ hμ.,, о,μ.
-
символ Кронекера .
...
v=I
Коэффициенты разложения Сп о пр еделяются из начального распределения
мощности при z = O:
N
Сп=~ A~1 JPμ. (О).
μ. =!
На значительном расстоянии от начала световода (z-+oo) функция
ехр (-апz) будет иметь малое з н ачение, и значимый вклад в выражение (2.34)
будет давать слагаемое с наименьшим значением О'п . Поэтому решение с наи­
меньшим О'п (обозначим его а 1 ) будет соответствовать установившемуся состо­
янию, имеющему форму:
(2.36)
На относительно небольшом удалении от входного торца световода, т. е .
до того, как наступает установившийся режим (2.36), рас.пределение мощности
н21ходится в переходном режиме (2.34), которому нельзя присвоить однознач ­
ный коэффициент потерь. При установившемсп состоянии распределение мощно­
сти по модам принимает определенную •форму и мощность вдоль световода
уменьшается с коэффициентом затуханип, который: зависит лишь от статистики
процесс а связи и модовых потерь.
Решения уравнений связанных мощностей: (2.31) всегда могут быть полу ­
чены в численном выражении . Однако если число направляемых мод очень
большое, численные решения задачи собственных значений (2.35) могут стать
нереальными. В этом случае суммы в (2.31) и (2.35) можно рассматривать как
интегралы по 1шазинепрерынной: переменной: модового числа μ. Алгебраическая
задача (2.35) может быть преобразована в дифференциальное уравнение с не­
прерывной: переменной р.. Для случая связи соседних мод, используя понятие
единого модового числа M=2μ+v, выражение (2 .35) можно аппроксимировать
дифференциальным уравнением вида [2.15]
_!__д_(мhмдАм)+(cr1- 2а.м)Ам=О.
(2.37)
МдМ
дМ
Единое модовое число М рассматривается как квазинепрерывная перемен­
ная и коэффициент связи для соседних мод обозначается hм. Уравнение (2.37)
имеет бесконечное множество собственных значений О'п и собственных функ­
ций А <;J, но лишf, наименьшее положительное собственное значение имеет фи-
5-1149
65

зический смысл потерь мощности установившегося состояния , а соответст ву ю ­
щая собственная функция дает при этом распределение мощности .
Рассмотрим связь мод световода со ступенчатым показателем преломл е­
ния, обусловленную случайными изгибами оси. Предположим, что светов од и м е­
ет случайные изгибы, характеризуемые постоянным спектром кривизны. В это м,
случае hм=h=coпst . Далее, благодаря тому, что процесс связи оказы вает н а­
моды более высоких порядков намного большее влияние, чем на мо ды б оле ~­
низких порядков , примем а м = a=const. Исходя из э т их предположени й , ре ше ­
ние (2 .37) будет следующим:
А~\= B,Jo (КпМ),
(2.38►
где
(2.39 ►
Будем считать, что моды наивысшего порядка не несут мощност и и·з-з а
сильного излучения . Это озн;~чает, что они опустошаются быстрее, чем мод ова я
связь в состоянии дать пополнение . Тогда для максимального значения ед и ног о,­
м одового числа N' выражение (2.38) запишется в виде
А~)= BJ0 (K11N') = О.
Отсюда, решая уравнение J0 (KпN') =0, находим допустимые значе ни я К,, •.
в частности К, =2,4O5/N'. Учитывая, что максимальное значение единог о м одо­
вого числа может быть выражено как N'=2V/л, из (2.39) находим избыточные
потери мощности установившегося состояния, обусловленные рассеяни ем и з-з а
слу 1 1айных изгибов :
(2.40}
Полученное выражение справедливо для спектра мощности функци и иска ­
жения оси волокна, который обратно пропорционален четвертой степени от про­
странственной частоты. В этом случае hм=h=const , что предполага лось пр и•
выводе (2.40). Рассмотрим теперь потери мощности для случайных изг и б ов ос и,
волокна более общего характера.
Случайные изгибы с небольшими амплитудами принято называть микр о и з ­
rибами. Амплитуды мш<роизrибов составляют доли и единицы микро м ет ро в, а,
периоды от единиц, мттллиметров до единиц сантиметров. Для создани я к абе­
лей с низкими потерям~, естественно необходимо хорошо понимать и управл ят ь.
потерями из-за микроизгибов .
Вызываемые изгибами оси волокна потери могут быть вычислены дл я ка ж ­
дой моды световода по общей формуле (2 .30) . Для многомодовых волоко н еле-­
дует принимать в расчет связь между направляемыми модами . Потер и, р а с­
с читанные по (2.30) , подставляются в уравнение связанных мощносте й (2.31 )·
или (:2 .37) и рассчитываются потери при установившемся режиме, котор ые яв ­
ляются результатом взаимного влияния собственны х модовых потерь и с вя з1-r
меж:ду направляемыми модами.
Достаточно простую формулу потерь световода со ступенчатым по каз ате ­
лем преломления можно получить, если использовать спектр мощности ф унк ци и
искажения оси световода в форме
7t
т (д0)m-l а113 sin --2:. _
т
т
< 1 F(0) 1 2>=--(Л-0)_т_+_е_т__ ~----=-вт---, (2.41)
66

•
где О"из - среднеквадратическое значение функции искажения оси светово ­
да f (z); Л8 - ширина спектра мощности микроизгибов; .т - показатель степе-
ни спектра мощн~сти, определяющий форму спектра.
.
С помощью ·(2.41 )можно получить приемлемую аппроксимацию для боль­
шинства спектров, представляющих практический интерес. При m:;;,.4 можно по,
лучить приближенное выражение коэффициента потерь одномодового световода
для НЕ11 (LР01)·МОДЫ [8.21] :
2а= n2k4 < \ F(Q) 1 2> (~)3 rV + 7,58-10-5 m9Vm ] . (2.42)
(т- 1)(т- 2)
kJL
eI,7m
Здесь величина V ограничена диапазоном практического интереса одномо­
дового режима: l<V>2,4; а спектр мощности (2.41) входит в формулу (2.42)
только на пространственной частоте Q= Bo1-nok, где Во1 - постоянная распрост­
ранения LР01 -моды. При учете связи только с модами излучения и игнорирова­
ния связи с LР 11 -модой, которая является ближайшей к моде LPo 1 и начинает
распространяться при J/:;;,.2,405, потери с ростом нормализованной частоты V
увеличиваются и при достижении значения 2,405 резко уменьшаются. Если же
учесть связь с LР 11 -модой, рассматривая при этом коэффициент связи между
LP01 и LP 11 как потери мощности l.Ро1·Моды, то кривая зависимости потерь от V
проходит плавно через точку 2,405.
Для световода с градиентным профилем показателя преломления (В.6) при
g=2 потери мощности при установившемся состоянии могут быть вычислены
по формуле [2.19]
2а=58<IF(Qп) I 2>д=145~1Qп)3k4< 1F(O)2'-,
п
,
а4
,
Not2\k
п ,,.,- '
(2.43)
где пространственная частота Qn= V 2Л/а, а число мод N= (n 1ka) 2 (Л/2).
Представляет интерес сравнение потерь световодов, наиболее пригодных
для многоканальных линий дальней связи: градиентных и одномодовых. При­
мем, что в обоих типах световодов спектр мощности один и тот же и описы­
вается выражением (2 .41). Однако, вполне вероятно, что процесс производства
одномодовых световодов может вносить микроизгибы, спектры, мощности ко­
торых отш1чаются от спектров микроизгибов градиентных световодов. Тем не
менее для сравнения потерь более естественным является условие принятия
идентичных спектров. В ступенчатом световоде направляемая мода связывает­
ся со всем континуумом мод излучения, требующих для связи широкой полосы
пространстпенных частот, даже если пространственная частота Q = ~91 -n0 k яв­
ляется наиболее эффективной. Направляемые моды в параболическом световоде ·
расположены в пространстве ~ примерно на равных расстояниях так, что спектр
мощности микроизгибов вносит наиболее значительный вклад в модовую связь
только н0а пространственной частоте Q= Vи/а. Потери происходят в данном
случае из - за связи с модовой группой наивысшего порядка, которая в свою
очеред1, тесно связана с модами излучения .
На рис. 2.9 и 2 . 1О показаны зависимости нормализованного коэффициента
потерь ступенчатого одномодового (сплошные линии) и параболического много­
модового (штриховые линии) световодов от величины ka . .Нормализация коэф­
фициента потерь получена путем деления на спектр мощности пространственной
частоты 8=п 2kЛ, где Л - относительная разность показателей преломления па-
5*
61

JО-Б.._____.__ __ _- -' -- -- -- '
J0
50
100
740
780
Рис. 2.9 . Сравнение потерь из-за
:микроизrибов одномодового и
многомодового градиентного све­
-товодов (параметр, определяющий
форму спектра в (2.41) m=4:
n 2 = 1,457; Л=О,01)
раболического световода. Выбранная
пространственная частота не имеет ре ­
ального значения для одномодового во­
локна, но она необходима для сравне­
ния потерь при использовании общей
нормализации. Горизонтальные оси на
~эисунках имеют шкалы kac и kau, от-
1oz
10
1,0
,,,.,,,.
,,,,,,,,
-- --
_,_ ...--
-- --
,,,.,,,,
10-1 .,_z:;_,,, ._ ., , ,_
_._ ____...,__
__~
JO
1/-()
50
100
140
180
Рис. 2.10 . Сравнение потерь из - за
микроизгибов одномодового и
многомодового градиентного све­
товодов (т=8; n2= 1,457; Л =О. 01)
носящиеся соответственно к ступенчатому и параболическому световодам, в
связи с тем, что диапазоны ka одномодового и многомодового световодов раз­
личны. Графики построены для дискретных значений нормализованной частоты
V, лежащих в пределах 1,5 ... 3,8. Кривые, для которых нормализованная часто ­
та превышает значение 2,405, относятся к одномодовому W-световоду.
Представленные на рис . 2.9 и 2.1 О результаты вычислений показывают, что :
типичный многомодовый параболический световод имеет более низкие поте­
ри из - за микроизгибов, чем одномодовый ступенчатый световод;
ступенчатый световод имеет меньшие потери при больших значениях нор ­
мализованной частоты V, но для значительного числа возможных практических
случаев у параболического световода потери на микроизrибах меньше;
оба с~етовода допускают большие значения микроизгибов, если их значе­
ние ka будет малым.
Обратимся теперь к вопросу распространения импульсов по световоду с
нерегулярностями. Данный вопрос затрагивался во введении, ниже остановимся
на нем несколько подробнее.
Описание распространения импульсов в световоде с нерегулярностями мож­
но производить уравнениями связанных мощностей, если ввести в задачу пере-
менную по времени:
дРμ. 1дРμ._ 2р-1-~hрр)
--- +
--
--- -
--
а!'- μ.
,
~μ.v( v-
μ.,
дz Vμ. дt
•=1
(2.44)
где vl'- -
групповая скорость.
68

•
Данные уравнения могут бы,ть решены с помощью методов теории возму­
щений, если 1/vμ мало отличается от 1/vcp, где Vcp - среднее значение от vμ ..
В большинстве практических случаев для слабонаправляющего световода это
условие выполняется, так как скорости различных мод мало отличаются друг
р(о)о-t'{2,'
от друга. Для входного гауссового импульса 1, , t = 1, е
реше-
ние (2.44) при установившемся состоянии z-+oo имеет вид [В . 21]:
N
-r
!(t- z/vcp)2 ) •
Pμ(Z, t)=Ak1) ~ A~1IOl'e - a1z-exp --------
μ=!
а
2а2
Здесь А [,1) и cr 1 определяются как решение уравнения (2.35) с наимень•
шим собственным значением, а среднеквадратическая ширина выходного Гаус•
сова импульса cr может быть выражена как
1
[ ..(, A(IJV:A<пJ]2!112
N
,:_ _·
μ
1'1•
2~р-1
а= Z~--------- -
п-2
ап- 01
ДаJiьнейшие преобразования данной формуJiы с использованием результа ­
тов, полученных в данном разделе, приводят к простому выражению
а= 1,12.lО-2
vз (hL )112
п1с(ka)2
(2.45)
Таким образом, ширина импульса при установившемся состоянии увеличи­
вается пропорционально корню квадратному из длины световода и уменьшает­
ся пропорционально корню 1,вадратному из . коэффициента связи по мощности.
БoJiee сильная свя3ь, следовательно, приводит к более коротким импульсам.
Благодаря связи мод импульсный OTKJIИK принимает более гладкую форму,
чем входной импул ьс. На р асстояниях z от начала световода, которые превы­
шают длину связи Lc, импульс имеет колоколообразную форму с легкой асим­
метрией переднего и заднего фронтов [2. 16]. При больших длинах световода
(z»Lc) асимметрия импульса исчезает. С достаточной степенью уверенности
можно сказать, что форма выходного импульса становится независимой от фор­
мы входного импульса и услов ий связи мод. Для многомодового световода со
ступенчатым показателем преломления форма и мпульсного отклика в устано ­
вившемся состоянии (z » Lc) описывается функцией
P(z, t)-= V
f )-IeXD(-
1roZT0
•
То (1ooZ) _ _ t_')
4t
Т0'
(2.46)
где
h - коэффициент связи между соседними модами; аг
-
коэффициент потерь на
границе между сердечником и оболочкой световода; То - ширина импульсной
реакции на расстоянии z= 1 /у 00 •
С помощью преобразования Фурье из выражения (2.46) можно найти ком­
плексн ую частотную характеристику световода, положив wo = 1/То :
4rrh 1•2
H(w, z) =
- --: --:: --: -: --:: -:;=:::::::;:::=-: -- ехр (- Vl +J(w/w0 ) 1roZ) ,
а.112(l +V1+;w/w0)
69

Весьма интересно определить выигрыш в ширине импульса при наличии
связи меж ду модами. Найдем отношение среднеквадратической ширины им­
пульса в световоде без связи мод к среднеквадратической ширине импульса в
световоде со связью мод как фактор улучшения:
Ry=a/a'.
Дл11 световода со ступенчатым показателем преломления можно показать ,
что Ry=0,078V/(hL) 112• Фактор RY должен быть меньше единицы. Если же вы­
численное значение RY > 1, то это означает, что длина исследуемого световода
меньше длины связи Lc или связь мод слишком слабая для наступления устой-
чивого состояния.
.
Удобным и универсальным числом, по которому можно определить, какие
потерн необходимо допусти п, в световоде из-за связи мод, чтобы получить за-
данный выигрыш в полосе, дБ, является произведение Ri на величину избыточ­
ных потерь при устяновившемся состоянии (см. (2.40)) и длину световода L:
R;(а1- 2а)L=0,76.
(2.47)
Эта величина не зависит от параметров волокна и величины связи мод и
зависит лишь от формы спектра мощности. Чем меньше произведение (2.4 7),
тем качественнее световод. Уменьшить значение произведения (2.47) можно
путем формирования спектра мощности (2.41) таким образом, чтобы умень­
шилась связь направляемых мод с модами излучения и увеличилась взаимная
связь между направляемыми модами. Оптимальной является форма спектра,
которая равномерна в заданном спектре пространственных частот и резко па­
дает на желае~~ой «частоте» отсечки.
Маркузе [2.17] вычислил потери, подобные (2 .47), для параболического во­
локна со случайными изгибами и получил значение 0,38 дБ, на которые не
влияют ни параметры световода, ни статистика случайных изгибов. Таким об­
разом, для параболического световода потери действительно являются уни­
версальной константой.
ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ
При создании оптического кабеля ставится задача довести ме­
ханические характеристики световодов до такого уровня, чтобы
обеспечивались технологичность производства кабеля и требуемые
эксплуатационные характеристики . Одновременно полученные пoc­
Jie вытяжки световода характеристики необходимо сохранить, так
к ак световоды, обладающие, например, высокой прочностью сразу
:же после вытяжки, быстро теряют ее вследствие незащищенности
от механических и химических воздействий. Важными задачами
являются также обеспечение стабильности параметров световода
и удобства работы с ним при монтажных операциях, осуществле­
ние оптической изоляции световодов в составе кабеля и т . д.
Для решения перечисленных проблем на световод наносятся
различные покрытия. Световод с нанесенными на него покрытия­
ми нередко называют световодным, или оптическим модулем*. По-
* В пvследующем
изложl' НИи для краткости будет использоваться также
«модуль».
70

·'Крытия призваны защитить световод от продольных, изгибных,
•седвиговых и радиальных механических воздействий, микроповреж­
лений поверхности световода, воздействий влаги и химически ак­
тивных веществ и частично от различных излучений. Нередко по­
' Крытие предназначается не только для защиты поверхности свето­
вода, но и для обеспечения дополнительной прочности на изгиб и
разрыв. В свою очередь, покрытия не должны вызывать напряже­
·ния и случайные изгибы световода, которые, как уже было пока­
зано, могут повлиять на характеристики передачи.
На практике чаще всего встречаются два варианта конструк­
ции оптического модуля: световод с двуслойным и трехслойным
· покрытиями.
В двуслойном варианте первое покрытие наносится на свето­
вод сразу же после вытяжки и предназначено для предотвращения
·мельчайших поверхностных дефектов и сохранения собственной
прочности световода, защиты от воздействия влаги . Материал дан­
' Ного покрытия должен обладать несколько большим коэффициен­
том преломления, чем светоотражающая оболочка световода, и
· большими потерями на поглощение для подавления распростране­
:ния нежелательных мод. Для выполнения перечисленных функций
достаточно брать толщину первичного покрытия очень незначи­
· тельной . В связи с этим данное покрытие не оказывает влияния
на устойчивость световода к механическим и температурным воз­
действиям. В дальнейшем при рассмотрении роли и влияния дру­
гих покрытий первичное покрытие не будет упоминаться, посколь­
• ку оно существенно не влияет на результат.
Вторичное покрытие в двуслойном модуле предназначено для
: защиты от механических воздействий. Нередко вторичное покры­
· тие называют упрочняющей оболочкой.
В трехслойном варианте конструкции модуля между перечис­
. ,1еннымн покрытиями, имеющими то же предназначение, что и в
двуслойном модуле, наносится амортизирующее покрытие (амор­
· тизирующий, буферный слой). Оно обеспечивает лучшую стабиль­
ность потерь при радиальном (поперечном) сжатии модуля, а так­
же несколько препятствует увеличению потерь при низких темпе­
ратурах.
К разновидности трехслойного варианта можно отнести конст­
рукцию модуля, где амортизирующим слоем является воздушный
юромежуток, т. е. конструкцию, в которой световод с первичным
:покрытием свободно лежит в упрочняющей трубке (так называе­
:мая с~ободная укладка). К разновидности двуслойного модуля
можно отнести модуль, в котором первичное покрытие выполняет
·также функции буферного слоя.
Рассмотрим механизм защитного действия покрытий, нанесен ­
ных на поверхность световода при воздействии механических сил.
Как было показано в предыдущих разделах, изменение характери­
,стик передачи световода может происходить при любых видах ме­
:ханических воздействий. Однако эти изменения небольшие и лишь
три тех воздействиях, которые приводят к неоднородностям в све-
71

товоде, в частности случайным изгибам, изменение характеристик
передачи может быть значительным и влиять на качество переда ­
чи сигналов. В связи с этим остановим наше внимание на внешних
механических воздействиях, вызывающих случайные иs=гибы оси
световода.
Случайные изгибы в протяженном упругом теле при внешних
воздействиях могут возникнуть, когда к нему приложены неравно­
мерно распределенные по его длине изгибающие или крутящие
моменты либо случайно распределенные по длине поперечные
силы. Последний случай является наиболее вероятным, поскольку
на световод действуют силы со стороны других элементов кабеля,
прижимающие его к неровным поверхностям. Вследствие этого
контактные силы между световодом и поверхностью будут нерав­
номерными и световод слегка изогнется . Подобные изгибы возни­
кают также при продольном натяжении световода, если он намо­
тан на шероховатую поверхность, например центральный армиру­
ющий элемент кабеля.
Для выяснения роли защитных покрытий при действии попереч­
ных сил на световод удобно рассматривать упрощенную модель
непокрытого световода, лежащего на неровной поверхности, к ко­
торой равномерным по длине усилием прижимается световод [2.18].
Благодаря шероховатости поверхности между нею и световодом
появляются контактные силы, которые изменяются вдоль оси све­
товода z и представляют некую функцию Рп (z). Эта модель со­
ответствует модели тонкой балки на упругом основании. Согласно
теории боковое смещение х (z) балки связано с действующей на
нее силой Рп (z) соотношением
d4x
-
-
=
dz4
EJ
(2.48)
где Е- модуль Юнга материала световода; J = лЬ 4/4- момент
инерции световода ралиvсом Ь.
Если неровность поверхности упругого основания под светово­
дом описы13_ается функцией v (z), то при действии силы и непре­
рывном контакте со световодом поверхность деформируется и ее
можно описать функцией и (z), которая увеличивается линейно с
ростом Рп(z) согласно выражению
u(z) = Pп(z)/D,
(2.49)
где D - коэффициент по п еречной жесткости упругого основания .
Нетрудно понять, что при непрерывном контакте световода с по­
верхностью основания в любой точке выполняется условие
x = v-(u-u0 ),
(2.50)
где u0 - среднее по z значение функции и (z). При неполном кон­
такте световода с поверхностью основания функции v (z), вызы­
вающая деформацию, может быть заменена на функцию у (z), ко­
торая определяется следующим образом:
у(z)={v(z)--t, v>t,
О,
v<t,
72

где t-среднее расстояние от поверхности световода до поверх ­
ности упругого основания.
Выражая Рп(z) согласно (2.49) через u(z) и используя (2.50) ,.
уравнение (2.48) можно записать так:
Н d4x
---+x=v
D dz4
'
где Н =El - жесткость световода.
Преобразуем последнее уравнение в область пространственных·
частот с помощью преобразований Фурье Х (Q) и V (1Q) для·
x(z)иv(z):
Х=
V
(2 .51 )·
1+ Q4H/D
где Q=2:n:/Л-угловая пространственная частота; А-длина пе­
риода спектральных составляющих V (,Q).
Из (2.51) видно, что фурье - компоненты смещения световода~
сильно зависят от длины волны пространственных частот. Нерегу ­
лярности с длиной периода, меньшей Лy=2:n:(H/D) 114, слабо воз­
действуют на смещение и, следовательно, изгиб световода. Вели - ­
чину Лу называют удерживающей длиной . При проектировании
модуля удерживающую длину следует выбирать большей . И з из-­
ложенного выше понятно, что значительный обмен энергиями меж­
ду модами в многомодовом световоде происходит при наличи и-:
периодических неоднородностей с пространственной частотой Q,
соответствующей длине волны пространственных биений мод .
В (2.43) приведено значение пространственной частоты Q,= V 2Л/а ·
для градиентного световода, которая одинакова для всех мод. Из­
гибы с такой пространственной частотой в основном определяют·
дополнительные потери градиентного световода . В световоде же
со ступенчатым профилем показателя преломления пространствен-
ные биения мод лежат в диапазоне О .. . V 2Л/а . Как видно из-­
(2.42) и (2.43), для вычисления потерь на изгибах нужно знать
спектр мощности функции искажения оси световода < 1 F (Q) 1 2 > .
Предположив, что v (z)- гауссов процесс со среднеквадрати­
ческим а, Глоге ,[2.18] получено выражение для спектров мощности
при непрерывном и неполном контакте световода с опорной по ­
верхностью . Затем путем моделирования процесса перераспреде­
ления мощности между модами диффузионным процессом выведе ­
ны формулы для потерь в стационарном режиме связи мод при де ­
формации световода на упругом основании . С помощью этих фор­
мул рассечитаны потери для четырех вариантов покрытий светово­
дов - из мягкого пластика, твердого и двух комбинаций из них.
При этом вместо коэффициента поперечной жесткости D упругого ­
основания и }Кесткости световода Н использовались понятия эф ­
фективных жесткостей, в которых учитывались упругие характе­
ристики и геометрические размеры оболочек световода . Результа -­
ты расчетов приведены на рис. 2.11 .
Здесь представлены зависимости избыточного затухания от ра ­
диуса защитных оболочек для световодов с однослойным покры - -
73

тием из мягкого материала (кривая 1), то же из твердого мате­
риала (кривая 2), с покрытием, имеющим твердый верхний слой
и мягкий нижний (кривая 3); то же, мягкий верхний слой и твер­
дый нижний (кривая 4). Модули упругости твердого и мягкого
материалов покрытий принимались равными соответственно 980 и
·9,8 МПа, среднее боковое давление 980 Па, Л = О,005, среднеква­
дратическое значение изменений толщины оболочки 1 мкм, длина
корреляции 1 мм, радиус сердечника световода 40 мкм, радиус
,световода 60 мкм . Из рисунка очевидно преимущество комбиниро­
ванных покрытий перед однослойными. Для достижения того же
эффекта устранения дополнительных потерь при однослойном
жестком покрытии диаметр его пришлось бы увеличить примерно
-вдвое.
Таким образом, комбинированные покрытия световода являют­
~я эффективным вариантом конструкции оптического модуля,
устойчивой к воздействию поперечных сил . Такая конструкция
обеспечивает условие для получения большого значения удержи­
вающей длины - большая жесткость в продольном направлении
и малый модуль упругости в поперечном направлении. Действи­
-тельно, первичное (внутреннее) покрытие с высоким коэффициен -
-том Юнга придает оптическому модулю жесткость, а вторичное
(внешнее) с низю1м коэффициентом упругости обеспечивает по­
перечную сжимаемость.
Представляет практический интерес определение оптимальных
параметров покрытий -- их размеров и упругих характеристик.
-Сделать это, используя описанную выше методику, достаточно
-сложно, так как для численных расчетов необходимо знать ста-
тистические характеристики источника возмущения оси световода,
которые можно получить для каждого конкретного случая из экс­
перимента. Более простым методом определения конструктивных
параметров оптического модуля является использование модели с
детерминированным источником возмущения оси световода, напри­
мер сосредоточенной поперечной силы или распределенных вдоль
световода с заданным шагом ряда поперечных сил. Подобная мо­
дель представлена на рис. 2.12 .
!Jd,,
.Д Б/км
70
7,0
о
0,7
O,Z d/Z,мм
Рис. 2.11 . Зависимость избыточ­
,ного затухания от внешне го Dа­
.диуса защитного покрытия при
Jrопере чных нагрузках на световод
N •••Z
о
J----"
z
х
Рис . 2.12. Модель балки на упругом ос­
нова н ии при действии по п еречных сил
74

В случае одной сосредоточенной силы Рп в центре О уравнение
для балки на упругом основании (2.48) имеет решение:
Х = Xmaxe-xz ( COSXZ + sin xz),
(2.52)
_ 4;-
где Хтах =Рп/8х 2ЕJ; У. ·v D/4EJ -коэффициент, определяющий пе­
_ риод смещения и затухание периодических смещений вдоль оси
бал к и (световода).
Если вдоль световода прикладывается распределенное попереч­
ное у силие с шагом р, то благодаря аддитивности результатов дей­
ствия каждой силы попер е чное смещение
N
х=х e-7.Z(cosY.Z +sinУ.7)+ "'\"'1х е-х(np-z) { cos)((пр--z)+
тах
•
·~
~ тах
n=l
N
+ sinх(пр - z)}+~Хтохе-"(пр+г){cosх(пр+ z)+sin х(пр+z)},
n=I
(2.53)
где N - число составляющих поперечных сил, приложенных вдоль
длины световода.
И з выражения (2 .53) можно получить радиус изгиба в любой
точ к е световода . Согласно теории изогнутой балки радиус изги­
б а R связан со смещением следующим образом:
R = [1 + (х') 2]312/х".
Для м алых смещений значением (х 1 ) 2 можно пренебречь и принять
R~ 1/х" . Тогда, например, в начальной точке z = O имеем
J/R=2Хтахх2{1+2t
1
е-хпр (cos xnp -- sin xnp)) . (2.54)
Т ак им образом, располагаем выражением для радиуса изгиба
у пр уг ой балки на упруrом основании, к которой приложено по­
пер е чное усилие, рассредоточенное с заданным шагом. Непосредст­
венное использование формул (2.52)-(2.54) для модуля с двух­
слойн о й оболочкой на первый взгляд кажется некорректным , так
как поперечные силы, деформируя каждый слой покрытия, созда ­
ют сложную картину напря:жений и сил, действующих на световод .
Однако результаты исследований [2.19], проведенные методом ко­
нечн ы х элементов для световода с мягким первичным покрытием
и ж е с тким вторичным, показали, что погрешность вычисленных
значений смещения по формуле (2 .52) не превышает 10%. Эле ­
менты жесткости, составляющие модель, выбирались треугольны­
ми и четырехугольными с пятью и шестью поверхностями . По
о кр уж ности модель световода с защитным покрытием делилась
на 4 части, по радиусу на 6 частей и по длине на 24 части , что в
сум м е составило 144 элемента жесткости.
Ввиду того, что затухание пропорционально R-2 [2.20], для
оценки влияния разных характеристик покрытия на затухание ис­
пользовался радиус изгиба световода. С помощью формул
75

(2.52)-(2.54) и методом конечных элементов вычислены зависи ­
мости радиуса изгиба от приложенной силы, толщины буферного
слоя, модуля упругости материала вторичного покрытия и шага
распределенной нагрузки .
На рис . 2. 13 приведены зависимости радиуса изгиба R от си ­
лы F, распределенной с шагом 5 мм. Вычисления проведены для
различных значений модуля упругости Еэ вторичного (внешнего}
покрытия. Из рисунков видно , что тенденция изменения радиуса
от приложенной нагрузrш одинакова для любых значений модуля
Юнга. Следовательно, при любых выбранных материалах вторич­
ного покрытия целесообразно во время изготовления, прокладки
и эксплуатации принимать меры по ограничению внешних по ­
перечных нагрузок . К.роме того, вторичное покрытие следует вы ­
брать и з м а териала с большим Еэ,
Зависимости радиуса изгиба R от нормированной толщины
амортизирующего слоя ts /с! представлена на рис . 2. 14 . Толщина
амортизирующего слоя ts нормирована диаметром вторичного по ­
кры тия d. И з рисунка видно , что R имеет максимум вблизи значе­
ния t 5 /d=0,09. Изменение радиуса изгиба в области значений
t 5 /d<0,09 з начительно меньше , чем при ts Jd>0,09. Поэтому зна­
чение (5 /d с учетом разброса конструктивных параметров следует
Еыбрать несколько меньшим , чем 0,09 . К. аналогичному выводу
можн о прийти, если защитное действие амортизирующего слоя от
п оперечной нагрузки оценивать по радиальному напряжению в
световоде ,с; r [2 .21] . На рис . 2.15 показаны вычисленные методо м
20
50F,Н
Рис. 2.13 . Зависимость радиуса
изгиба световода от приложен­
ной поперечной силы
76
R,мм
!00
50
20
70
5
z
0,03
о,т
0,2 0,3 t5/d
Рис. 2.14. Зависимость радиуса
изгиба световода о т толщины
амортизирую щег о слоя при по-
перечной нагрузке

6r/Pn.yдxlO-~ мм- 1
15
JO
.5
D
~7
~0,9
-=-----7,Z
О,1
0,2
Рис . 2.15 . Соотношение меж­
ду нормированным напря •
жением в световоде при по­
перечном сжатии и толщи­
ной амортизирующего слон
0,5
Z Jр,мм
Рис. 2.17 . Изменение ра­
диуса изгиба световода
в зависимости от шага
между точками прило­
)Кения поперечных на-
грузок
77
10
1,0
70-Z1--~~- -~----
l; 100 Z00 J0O r; мкм
ds/Z
Рис. 2.16.
пряжения
крытиях
d/Z
Распределение на­
в световоде и по­
при поперечном
сжатии
о
Р,Мм
Рис. 2.18 . Влияние шага
между точками прило ­
жения поперечных на­
грузок на приращение
затухания

конечных элементов зависимости нормированного напряжения в
световоде аг /Рп.уд от нормированной толщины буферного слоя
ts /d. Здесь Рп.уд - погонная поперечная сила. В качестве пара­
·метра взят диаметр модуля d. Данный рисунок свидетельствует,
что при любом диаметре оптического модуля имеется значение
толщины буферного слоя fs /d =0,09, при котором напряжения в
световоде минимальны.
Наглядным примером защитного действия амортизирующего
слоя является распределение напряжений по радиусу r оптиче­
ских модулей с буферным слоем и без него, представленное на
рис. 2.16. Верхняя кривая соответствует модулю без буферного
слоя, нижняя - с буферным слоем, Ь
-
радиус световода, ds/2 -
радиус буферной оболочки, d/2- радиус модуля. Буферный слой
с малым модулем Юнга уменьшает напряжение на границе с вто­
ричным покрытием и тем самым снижает напряжение в световоде .
Весьма интересна зависимость радиуса изгиба световода от
шага р между точками приложения поперечно го усилия. Из
рис . 2.17 видно, что при оптимальной толщине буферного слоя
tsfd=0,1 и шаге р<-3 ... 4 мм влияние оболочек значительное­
радиус изгиба велик. При р>З ... 4 мм радиус изгиба почти не из­
меняется. Следовательно, удерживающая длина такой конструк­
ции равна 3 ... 4 мм и в процессе изготовления данного модуля сле­
дует обратить внимание на то, чтобы интервалы между неоднород­
ностями оболочек не превышали 3 ... 4 мм. Действительно, как вид­
но из расчетных кривых зависимости между шагом р поперечного
усилия и приращением затухания Ла: (рис. 2.18), последнее резк()
увеличивается при увеличении шага, но, начиная с р = 4 мм, при­
ближается к постоянному значению. Если шаг большой, то из-за
исчезновения взаимного наложения смещений в каждой из точек
L1ei,,
,цБ
5-
J-
1_.
~-d=O, 7
I1
/
/
/
/
/
а..,/
o,g
~
О L.....,_ -"""' -u
' ~,.__.~i-:::::J-L__
_.J
0,7
O,Z ts/d
Рис. 2.19. Зависимость
приращения затухания от
ГОЛЩИНЫ буферного слоя
при поперечном сжатии.
приложения поперечного усилия зату­
хание асимптотически приближается к
величине, получаемой при сложении
приращений затухания в каждой точ­
ке приложения сил. На рисунке круж­
ками показаны результаты, • получен­
ные из эксперимента для градиентно­
го световода с покрытием, у которого
ts/d=0,28. Результаты измеDений хо­
рошо согласуются с расчетами. При
расчете затухания использовалась эм ­
пирическая зависимость между зату­
ханием и радиусом изгиба [2.20]:
а=80 R-2
.
Экспериментальное подтверждение
получили также рассчитанные значе­
ния оптимальной толщины буферного
слоя и диаметра оптического модуля.
На рис. 2.19 показаны результаты из­
мерения избыточного ~атухания, вы-
78

званного поперечным сдавливанием при различных значениях тол ­
щины буферного слоя и диаметра вторичного покрытия. Оптималь ­
ные значения этих параметров, полученные из данных графиков .
совпадают с рассчитанными и представленными на рис. 2.14 и 2.15.
Анализ приведенных в настоящем разделе результатов пока ­
зывает:
прирост затухания при действии на оптический модуль попереч­
ных нагрузок пропорционален квадрату приложенного усил и я и
обратно пропорционален квадрату модуля упругости вторичного
покрытия Л<Сх а:. (Prr/E3) 2 ;
оптимальные параметры покрытий световода с малым приро ­
стом затухания из-за поперечных нагрузок должны иметь следу­
ющие значения: диаметра вторичного покрытия примерно 0,9 мм ,
модуль упругости материала этого покрытия не более 784 МПа ,
толщина буферного слоя 0,08 . .. О, 1 мм, его моду-ль упругости о ко ­
ло 98 МПа;
при производстве оптических кабелей период технологически х
нерегулярностей элементов конструкции, вызывающих поперечные
усилия на световод, не должен превышать 3 ... 4 мм .
Кроме поперечных нагрузок, действующих на световод, причи ­
ной потерь являются микроизгибы , возникающие из-за усадки по­
крытий световода. Усадка подразделяется на термоусадку вторич ­
ного покрытия под действием низкой температуры и усадку з а
счет кристаллизации материала вторичного покрытия . Послед ний·
фактор не играет большой роли с точки зрения проектирования ,.
так как в настоящее время имеется ряд материалов, обладающих
небольшой способностью кристаллизации, которые могут исполь ­
зоваться для вторичного покрытия. Проблема же возникновения
изгибов в световоде из-за термоусадки требует более пристально ­
го внимания, поскольку термоусадка приводит к значительн ым
потерям.
Существуют две причины возрастания потерь при термоусадке :
радиальное и осевое сжатие световода покрытиями . Обе прич и н ы
приводят - к искривлению оси световода . В первом случае увеличе ­
ние потерь предотвращается использованием буферного слоя .
Рассмотрим более детально случай, когда изгибы свет овод а
возникают из-за продольного его сжатия при термоусадке. Бла ­
годаря малым поперечным размерам оптического модуля в сравне ­
нии с его длиной, влияние термоусадок покрытий на возраст а ние ­
потерь можно проанализировать на модели линейно-упругого про­
дольно сжатого стержня с шарнирно защемленными конца м и .
В любом даже очень тщательно изготовленном оптическом моду­
ле геометрическая ось нанесенных покрытий не совпадает с осью ­
световода. Поэтому при термоусадке оболочек сила, воздейству­
ющая на световод, приложена вдоль оси с некоторым эксцентри­
ситетом е0 (рис . 2.20). Кроме того, световод может иметь началь -­
ный изгиб вследствие остаточных напряжений и асимметрии фи ~
зических свойств.
79

Рис. 2.20 . Модель линейно-упрvгого поо­
дольно сжатого стержня
С учетом этих условий
р а осмотрим продольно-попе­
речный изгиб стержня, при­
няв во внимание, что изгиб
стерж,шя (балки) может со•
провождаться таким изме­
нением положения точек его
оси, которое вызывает не-
обходимость учета измене ­
ния геометрии оси [2.22] . Уравнение равновесия стержня в дефор-
мированном состоянии в этом случае имеет вид:
•
__! ! ! __ (EJ d2x) +Fdi(x+xo) =q,
(2.55)
dz2
dz2
dz2
где F - продольная сжимающая сила; q - поперечная распреде­
ленная нагрузка, которая также может вызывать прогиб свето­
вода; х0 - начальный прогиб световода.
Если продольная сила прикладывается с эксцентриситетом е0
(см. рис. 2.20), то краевые условия имеют вид:
d2x
х=О,EJ--=
-
Fe0 приz=О,
dz2
d2x
х=О, El - -=-Fe0 при z=l.
dz2
Уравнение можно привести к виду
d4x +k2 d2x =
-k2 d2x +-q-.
dz~
dz2
dz2
EJ'
При постоянной по длине световода поперечной нагрузке част­
ное решение последнего уравнения можно искать в виде
Хч(z)=dчsin( 7 )+СчZ2•
Примем, что начальный изгиб имел форму
Хо=ао sin (nzjl).
Подставив последние два выражения, определим постоянные dч
И Сч И ПОЛУЧИМ:
a 0 F/Fnv
(тrz) q
Хч(z) =
-
-
1_ F/F::; sin -,-
+2Fz2,
где Fкp=n2EJ/! 2 - критическая эйлерова сила.
Решением однородной части уравнения является функция
Хад(z) =А sin(kz) +В cos(kz) +Cz+D.
Используя краевые условия, находим постоянные А, В, С и D:
В__D=е_q
.
с=ql.А _(q+е)(1-coskl)
-
°
Fk2 '
2F'
Fk2
0
sin kl
•
80

----------
Тогда общее решение уравнения равновесия для такого случая
имеет вид
'х(z) = (_!L_ +е0)(1-_ cos kl) sinkz+ (е0-
_
q_) cos kz+
, Fk2
sш kl
Fk2
+_!!}_z+(-q -- e ) -'
qz2 _
a0F/Fкp sin(тcz)·
2F'Fk2
0'2F
l--F/F
l
кр
При отсутствии поперечной нагрузки получаем общее решение
уравнения равновесия в виде
х(z) = е0[(1-
.coskl)sinkz+coskz- 1]-
\
SIП kl
a0F/Ркр • ( тсZ )
-
-- -- '-- S!П
--
.
1 - F/Fкv
l.
(2.56)
Таким образом, располагаем выражением для смещения оси
световода в зависимости от величины продольной силы и эксцен­
триситета. Продольная сила определяется в основном термоусад ­
кой вторичного покрытия световода (буферный слой дает неболь­
шой вклад). и зависит от понижения температуры ЛТ, разности
температурных коэффициентов расширения световода ас и вто­
ричного покрытия аз, а также от материала и площади попереч­
ного сечения вторичного покрытия. На практике аз~ас, поэтому
продольную силу приближенно можно определить по формуле
F= _:___(d2--d2)E/J.Ta3,
(2.57)
43
s
где dз -- диаметр вторичного покрытия; d 8 - диаметр буферного
слоя; Fз - модуль упругости материала вторичного покрытия .
Из (2.56) получаем выражение для радиуса изгиба световода:
1/R -
aaF/F"P (_:___)2s·1п (тсz)-е i.2[(1- cos kl)sinkz+
-
1- F/Fкp l
l
01{,
sin kl
+ cos kz].
(2.58)
Далее, ис польз уя зависимость между радиусом изгиба и зату­
ханием [2 .20], с помощью (2.57) и (2.58) получаем зависимость из­
менения затухания от разности температур ЛТ и конструктивных
параметров оптического модуля. Результаты вычислений пред­
ставлены на рис . 2.21 .
Из р})сунка видно, что резкий подъем кривой изменения зату­
хания происходит при приближении к определенному (критическо­
му) значе нию ,ЛТ кр, При малых значен ·иях эксцентриситета е0 кри­
вая прироста затухания имеет меньшую крутизну, чем при ЛТ,
близких к ЛТ кр, При больших значениях е0 прирост затухания Ла
достаточно велик уже при малых ЛТ. Это говорит о том, что при
наличии больших значений эксцентриситетов даже в случае ис­
пользования для вторичного покрытия материалов с малым КТР
заметный прирост затухания будет наблюдаться и при малых ЛТ.
6-1149
81

Лd,
,ЦБ
Из рис. 2.21 также вид ­
но, что значение ЛТк р тем:
выше, чем меньше l - дли-·
на изгибаемой части свето­
вода, равная расстоянию •
между соседними точками ,
модуля, в которых наблю•
даются экстремальные зна• ·
чения эксцентриситета . Сле­
довательно, прирост зату­
хания будет тем i\1еньше,.
чем меньше вызванный тех -­
нологическими причинами'
«период» между экстремаль-·
ными точками.
Заметим, что проведен -·
ный расчет освещает лишь.
качественную сторону меха-
1
низма возрастания потерь.
1
при низких температурах,.
10-s~~~~~-~-~-~-~-лт.--,•Р,....1 так как прирост затухания,
О LITкp ZO
LITкp 40
бО LIТ, 0 G ОПредеЛЯеТСЯ ТОЛЬКО ДЛЯ ОД··
наго «периода» при выбран -­
Рис . 2.21 . Влияние понижения темпеоа- ных l. В реальном же све-
туры на приращение затухания
товоде из-за разбросанноспr
случайным образом вдоль.
световода экстремальных значений эксцентриситета величина l и,
число «периодов» будут случайными.
Описанная выше гипотеза о механизме увеличения затухани я;
световодов при низких температурах, выдвинутая ранее различ ­
ными исследователями, была экспериментально подробно иссле­
дована путем измерения времени задержки светового импульса"
распространяющего по световоду при различных температу ­
рах [2 .23] .
При отрицательных температурах световод, испытывая про ­
дольное сжатие со стороны покрытий, укорачивается. Следователь -·
но, время распространения по нему импульса уменьшается. Даль­
нейшее охлаждение и сжатие, при котором световод теряет устой­
чивость, уже не изменяет длины световода, а лишь только изги ­
бает его, и поэтому время распространения остается прежним.
Измеряя время распространения импульса при различных темпе ­
ратурах, можно определить, когда начинается коробление свето­
вода.
Учитывая, что при изменении температуры коэффициент пре­
ломления изменяется ничтожно мало, можно записать следующее
приближенное соотношение:
dT
1:
82
d1:
dT
(2.59),

где Есж - деформация сжатия световода; т- время задержки им­
пульса.
Деформацию Есж световода, зависящую от сжатия вторичного
(наружного) покрытия, можно определить по формуле
dЕсж= ЕзАз (а -а)
(2.60)
dT
ЕА+ЕА з с.
СС
33
Здесь Ас, Аз - площади поперечного сечения световода и вторич­
ного покрытия соответственно; ас, аз - коэффициенты линейного
расширения световода и вторичного покрытия соответственно .
: Зависимость между величиной задержки и температурой, вы­
численная по (2.59) , (2.60), представлена на рис. 2.22 прямой ли­
нией 1. Здесь же представлены результаты измерений (кривая 2) .
Как видно из рисунка, в диапазоне температур О ... -6О 0 С время
задержки уменьшается по мере понижения температуры, что гово­
рит о сокращении длины световода. В этом диапазоне экспери­
ментальные и расчетные значения хорошо согласуются между со­
бой. Эта деформация и описывается формулой (2.60) . При темпе­
ратуре ниже -60°С время задержки импульса почти не изме­
няется.
Обратимся теперь к результатам измерения потерь при низких
температурах. На рис. 2.23 показана зависимость между увеличе­
нием потерь и температурой для того же световода, диаметр кото­
рого 125 мкм, а также световодов с диаметрами 150 и 175 мкм .
Для первого световода в диапазоне О ... -60°С изменения затуха­
ния не наблюдается (область А), ниже -65°С затухание резко
возрастает (область В), затем при дальнейшем понижении темпе­
ратуры оно не изменяется (область С).
Сравнивая рис. 2.22 и 2.23, можно заключить, что в области В ,
когда световод при сжатии переходит из обычного выпрямленного
А
в
с
Лd,
it=0 ,84- мкм
11,Б/км
А
вс
-0,б
zo
-О,4-
10
- o,z
о ' ----"' ----'- :,- -'--'-- --'----- -'----' '---' ---.1
-ZO
-40
-бО
Т,00
о
- zo -ч-0 -60
Рис. 2.22 . Изменение задержки
Рис. 2.23 . Экспериментальная за-
сигнала при понижении темпе-
внсимость прироста затухания от
ратуры
значения отрицательной темпе-
6*
83
ратуры:
О- 125мкм;Х- 150мкм;,6.
-
175 мкм

А
а)
в
z
J
с
б)
состояния (рис. 2.24, а) в
состояние
с изгибами
(рис. 2.24, 6), затухание рез­
ко увеличивается. Началь­
ная температура образова­
ния этих изгибов будет
тем ниже, чем больше диа-
метр световода. После то­
Рис. 2.24. Положение светово д а в модv-
ле при различных отрицательных тем- го, как световод перешел
пературах:
в состояние с изгибами
1 - световод; 2 - амортизирующий ело~",: 3 -
рис. 2.24, 6)' усилие 'сжатия
вторичное покрытие
со стороны покрытия релак-
сирует по мере образования
изгибов световода и деформация его в продольном направлении не
увеличивается.
Из рис . 2.22 видно, что время задержки не уменьшается. Эта
область и будет соответствовать области С, где затухание почти
не увеличивается . Можно предположить, что в данной области
кривизна изгибов будет изменяться мало по сравнению с измене­
нием кривизJ'Jы во время образования изгибов в области В.
Так и м образом, вышеизложенное позволяет пояснить механизм
увел ич ения затухания световодов при пониженных температурах
и н а м е тить пути его снижения. Поскольку изгибы световода в
трехслойном оптическом модуле сильно возрастают при опреде­
ленном значении отрицательной температуры, то вполне разумно,
выбирая параметры конструкции оптического модуля, добиться
смещения данного значения температуры за пределы диапазона
требуемых рабочих температур модуля .
Анализ полученных результатов показывает, что снижение низ­
котемпературных потерь можно достичь путем:
использования материалов вторичного защитного покрытия с
малым т е мпературным коэффициентом расширения и МйЛЫМ мо­
дулем упругости;
испо л ьз ования д.ля буферного слоя материала с достаточно
большим модулем упругости;
уменьшения площади поперечного сечения вторичного по­
крытия.
уменьшения эксцентриситета между осями световода и вторич­
ного покрытия.
Часть из перечисленных мероприятий находится в противоре­
чии с необходимыми мероприятиями, обеспечивающими иные тре­
буемые характеристики оптического модуля. Это необходимо учи­
'J.Ъrвать при проектировании оптического модуля.
Перейдем к рассмотрению оптических модулей со свободной
укладкой световодов в трубчатое защитное покрытие . В таких
модулях покрытие не вносит дополнительных потерь. При этом
важно выбрать необходимый материал и соответствующий зазор
между световодом и внутренней стенкой трубки, поскольку внут­
ри световод может прогибаться вследствие температурных усадок
84

б) --,,-н..._Л_d_
В)
Рис. 2.25. Поперечное сечение сердечника кабеля,
состоящего из модулей со свободной vклалкой
световодов:
а - кабель не нагружен; 6
-
п ри растяжении ка-
беля; в - при продольном сжатии
неплотно прилегающей трубки. Это вызывает потери на микроиз­
rибах, возникающих благодаря прижиму световода к шерохова­
тостям внутренней поверхности твердого полимера.
В скрученных структурах кабелей из модулей со свободной
укладкой имеется некоторый запас удлинения, ниже которого в
световоде не возникает никакого напряжения. Это объясняется
тем, что светоды, свободно перемещаясь внутри трубок (рис. 2.25),
при растяжении кабеля прижимаются к стенкам трубок, обращен­
ных к центру скрученной структуры, а при продольном сжатии
кабеля к диаметрально противоположным точкам стенок. На
рис. 2.26 представлены результаты расчетов для различных ком­
бинаций радиуса скручивания R и зазора Лd между световодом
и противоположной стенкой защитной трубки, дающих постоянный
запас относительного удлинения кабеля ЛL/L. Как видно из ри­
сунка, увеличение зазора Лd и радиуса скрутки R и уменьшение
шага скрутки р сопровождается увеличением запаса 1ЛL/L .
Таким образом, в скрученных структурах модули со свободной
укладкой световодов могут позволить путем подбора перечислен-
Ad,
Лd,
мм
f =0,7%
мм
2
z
1L=O,l%
\
~
о
z
3
4- R,мм
а)
о.____.,___.,___..___..___..___,
J
Z
3
4-
fi',мм
б)
Рис. 2.26. Запас относительного удлинения кабеля из модулей со
свободной укладкой световодов при различных значен и ях радиуса
скрутки R и зазора Лd:
а- при шаге скрутки р=100 мм; б- при р=200 мм
85

ных параметров получить дополнительный запас по допустимой
нагрузке на растяжение кабеля или расширить рабочий диапазон
температур.
Оптические модули со свободной укладкой имеют большие раз­
меры и массу, чем модули с плотно обжимающими защитными
покрытиями. Отсюда несколько большие затраты материалов и
возрастание инерционных сил при операциях изготовления кабеля,
требующих контроля натяжения жил. Массу модуля увеличивает
также гидрофобный заполнитель, применяемый для его продоль­
ной герметизации, отсутствие которой может значительно снизить
надежность световодов из-за проникновения влаги. Тем не менее
упомянутые проблемы не являются серьезным препятствием · к при­
менению подобных модулей в оптических кабелях, о чем
свидетельствует ряд конструкций кабелей, выпускаемых в разных
странах.
УПРОЧНЯЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Упрочняющие (армирующие) элементы включаются в конст­
рукцию кабеля с целью предотвращения в процессе прокладки и
эксплуатации увеличения затухания и уменьшения прочности све­
товодов, а следовательно, срока службы. Нередко армирующие
элементы выполняют стабилизирующую функцию - снижают тер­
мические усадки конструкции.
Конструкция кабеля должна быть такой, чтобы упрочняющие
элементы принимали на себя основную долю растягивающего уси­
лия. Материал, число элементов, их расположение и геометриче­
ские размеры выбираются из расчета обеспечения достаточной
жесткости при растяжении в пределах малого допустимого удли­
нения световодов или полного исключения их продольной дефор­
мации.
При выборе материала для упрочняющего элемента следует
прежде всего принимать во внимание его механические характери­
стики. Показателем хороших механических свойств при растяже­
нии является большое значение отношения модуля упругости к
удельному весу. К другим важным критериям относятся: коэффи­
циент температурного расширения, адгезия с другими матери­
алами, используемыми в кабеле, усадка, стабильность параметров
в рабочем диапазоне температур, простота производства.
Обычными материалами, служащими для увеличения упруго­
сти при растяжении, являются стеклопластики, нейлон, материал
Kevlar и сталь. В табл. 2.1 приведены некоторые характеристики
материалов, применяемых для армирующих элементов.
Подходящим материалом, как видно из таблицы, является
сталь. Стальные упрочняющие элементы эффективно предотвра­
щают продольное сжатие световодов в кабеле после экструзионно­
го нанесения оболочки при ее остывании. В то же время нити из
Kevlar или графита не способны предотвратить продольное сжа­
тие световода, поскольку сами изгибаются под сжимающими на-
86

Таблиц а 2.1
Материал
Стальна;r проволока
Медная проволока
Kevlaг 49
I,evlaг 29
ГRР
Стекловолокно
Нейлон
Углеродистое волокно
Плотность ,
г/см•
7,8
8,9
1,4
1,4
2,0
2,5
1,14
1,5
!Модуль Юнга,
10• МПа
20
12
]3
6
3
9
0,4 ... 0,8
10 ...20
трузкам и, возникающими при охлаждении экструдата. Это в свою
• очередь приводит к возникновению дополнительных потерь на ми­
кроизгибах при изготовлении кабеля и работы в условиях низ-
ших темпе ратур .
.
Упро чняющие э.1ементы можно располагать тремя способами:
в центре кабеля на нейтральной его оси, при этом образуется
, конструкция с центральным элементом жесткости;
распределенные по сечению кабеля;
во внешних защитных слоях, при этом образуется конструк­
щия с внешним элементом жесткости.
Местор асположение упрочняющего элемента значительно вли­
яет на характеристики передачи, механические характеристики
и технологичность монтажа кабелей.
Центральное расположение элементов упрочнения очень удоб­
но для витых конструкций кабеля (многоповивного типа и пучко­
; вой скрутки), в которых оптические волокна обвиваются вокруг
этого элемента в процессе изготовления кабеля. Что касается рас­
: пределенных элементов прочности, они должны для обеспечения
гибкости иметь скрутку по спирали вокруг определенного элемен­
та кабеля. Очень важно, чтобы распределенные элементы прочно­
• сти не уме ньшали свой радиус спиралей в результате диаметраль­
ного сжатия и не скручивались. Возможен вариант, когда распре­
.деленные упрочняющие элементы не скручиваются. В этом случае
гибкость кабеля ни же, чем в скрученном варианте. В кабелях пуч­
· ковой скрутки распределенные упрочняющие элементы можно
: располагать в центре пучков световодов оптических модулей.
В случае рассредоточенной компоновки упрочняющих элемен­
тов в сердеч нике кабеля под действием растягивающей силы про­
исход-ит их взаимное сближение и появляется опасность сжатия
, световодов. При центральном расположении упрочняющего эле­
мента в результате сжатия кабеля рабочими механизмами и инст­
, рументами в процессе прокладки между оболочкой и этим элемен­
· том возникает значительное давление, которое может повлиять на
характе ристики передачи.
Расположение упрочняющих элементов в оболочке может до­
шолнительно обеспечить защиту от срезающих сил и большее со-
87

противление изгибу. Недостаток такой структуры состоит в том,
что в процессе монтажа необходимо производить дополнительные
работы по сращиванию упрочняющих элементов . Это приводит к
увеличению наружного диаметра соединительных муфт и объема
монтажных работ .
Таким образом очевидно, что при любой компоновке имеются
определенные недостатки . Однако с точки зрения производитель­
ности изготовления кабелей и объема работ при монтаже оболоч•
ки предпочтительной является структура кабеля с центральным
расположением упрочняющего элемента.
Расчет сечения армирующего элемента можно п роизводить ис­
ходя из того, что наибольшая сила , приложенная к кабелю пр и
протяжке, определяется соотношением
F = Lf(Pe+Pa),
где Ре - масса единицы длины кабеля без армирующего элемен­
та ; Р а - масса единицы длины армирующего элемента ; L- стро ­
ительная длина кабеля; f - коэффициент трения кабеля о грунт .
Э то соотношение справедливо для случая прокладки кабеля в
телефонную канализацию или в п редварительно отрытую тран­
шею, когда кабель разматывается с неподвижно установленного
на козлах барабана, протаскивается за один конец по поверхности
грунта параллельно траншее. Данный случай взят для расчета по ­
тому, что при этом методе прокладки кабель находится в наи более
жестких условия х на растяжение, чем при ручной размотке его с
барабана, установленного на движущейся вдоль траншеи кабель­
ной теле жке, или прокладке кабелеукладч,иком , где размотка кабе ­
ля с бараб а на также производится вручную для предотвращения
возможны х рывков. Первый способ используется, когда передви ­
жение кабельного транспортера по трассе затруднено или кабель
должен быть пропущен под препятствиями в траншее .
Будем считать, что сила тяжения кабеля приложена к упроч­
няющему элементу. Тогда
F = Sа'ВдоnЕа,
где Sa - площадь сечения армирующего элемента ; Едоп - допу ­
стимая деформация кабеля; Еа - модуль Юнга армирующего эле ­
мента .
Из приведенных выше выражений с учетом того, что Ра=
= yaSa, где Va - удельный вес материала армирующего элемента ,
получаем
S а = РеЦ/ (вдопЕa-vaLf).
Аналогичное выражение для Sa можно получить, исходя из бо ­
лее жестких начальных условий - наибольшая сила , прикладыва ­
емая к кабелю, должна быть равна весу строительной длины, т. е .
строительная длина кабеля, подвешенного за один конец верти ­
кально, не должна разрушаться . В этом случае
Sa = PeL/ (вдопЕа-vаL) .
88

Таким образом, сечение армирующего элемента легко опреде­
лить, если известны масса единицы длины кабеля и его допусти­
мая дефо р мация, а также задана строительная длина.
О п ределим - теперь допустимую деформацию для кабеля повив­
ной структуры. В центре повива из оптических модулей находит­
ся упрочняющий элемент, окруженный амортизирующим слоем
•.
(рис. 2.27) . При действии на центральный элемент силы растяже­
ния происходит его удлинение. Вместе с ним перемещаются и оп ­
тические модули. Обозначим длину шага скрутки через р, а удли­
нение его через Лр. Если начальный радиус упрочняющего эле ­
мента с амортизирующим слоем r, то после приложения растяги­
вающей нагрузки в результате сжатия амортизирующего слоя в
радиальном направлении он уменьшится на Лr. Допустим, что
из-за уменьшения r длина l закрученного вокруг центрального
элемента модуля (световода) не изменилась. В соответствии с
обозначением на рисунке AC=A 1C 1 =l. Тогда для продольной
деформации кабеля (центрального элемента) Едап 1 = 1Лр 1 /р 1 в диа­
пазоне, где не происходит удлинения оптического модуля, можно
получить формулу [2.5]
Едоп 1 = Vrl +(2nr1/p1)~E, (2 -- Е,)-1,
(2.61)
где е, = Л,r 1 J,r 1 - радиальная деформация центрального элемента.
Здесь индекс «1» обозначает, что рассматриваемая жесткость
первого вида 1[2. 1], т. е. оптические модули не удлиняются .
На рис. 2.28 приведены результаты расчетов согласно форму ­
ле (2.61).
"'-
F
Рис. 2.27. Деформация сер·
дечника кабеля повивной
скрутки при растяжении
89
Рис. 2.28. Зависимость допv­
стимой продольной деформа­
ции кабеля повивной скрутки
от радиальной деформации
центрального элемента

С увеличением значения 2лr1/Р 1 возрастает Вдап 1 и, следова­
;ельно, большую растягивающую силу можно прикладывать к
кабелю, не вызывая удлинения оптических модулей . Таким об­
разом, увеличить Вдоп 1 и тем самым уменьшить площадь попереч­
ного сечения упрочняющего элемента (см . рис. 2.61)) можно пу-
1· ем увеличения толщины амортизирующего слоя и уменьшения
шага скрутки. Если же такими методами нецелесообразно увели­
чивать допустимую деформацию fдоп~ (например, из-за неэффек­
· тивного использования световодов при уменьшении шага скрутки,
уве ли чения потерь вследствие уменьшения радиуса изгиба или
недопустимого увеличения диаметра кабеля при увеличении диа­
метра амортизирующего слоя), то можно допустить в небольших
пределах продольную деформацию оптических модулей и полу­
чить некоторое увеличение допустимого растяжения кабеля .
В дан ном случае АС=:,!=А 1 С 1 ( см. рис . 2.27) и допустимая дефор­
·мация кабеля Вдоп связана с допустимой деформацией светово­
_ дов в с с точностью до второго порядка малости соотношением
Вдон=в.,(l/р) 2 +в, (2nr/p) 2.
Значение Е:с при растягивающей нагрузке, действующей относи­
· тельно непродо лжительное время (например, во время проклад­
ки каб еля), выбирается не более 0,5%.
Заметим еще одно обстоятельство. Ввиду того, что централь­
ный элемент кабеля является составным, его эквивалентный коэф­
• Фициент температурного расширения определяется по формуле
E.s .a .. + ЕЛSD.а.Л
аэ=
Е.s.+Ел.Sл.
где Е, S , а - модуль упругости, площадь поперечного сечения и
коэффициент температурного расширения соответственно; индек­
сы а и д относятся к упрочняющему и амортизирующему элементу .
Материалы, используемые в качестве амортизирующего эле­
мента , оnычно имеют модуль упругости на три, четыре порядка
(1 ... 10 МПа) ниже и коэффициент температурного расширения на
- один -два порядка больше, чем материал упрочняющего элемента .
· поэтому аэ мало отличается от аа и при оценке температурной
стабильности кабеля допустимо пользоваться значением аа.
Описанное определение параметров упрочняющего элемента
производилось без учета механических характеристик таких эле­
ментов кабеля, как оболочки, запо_лнители, медные четверки (если
таковые имеются) . Хотя эти элементы не относятся к силовым , они
.делят между собой нагрузку при растяжении и и х вклад является
запасом прочности оптического кабеля.
2.3. ТИПЫ КОНСТРУКЦИЙ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ
Основная задача разработки оптического кабеля - создание
конструкции, надежно защищающей световоды от внешних воздей­
•ствий, и в первую очередь от механических . В решении этой зада­
чи наметились две тенденции: создание конструкций кабеля, в ко-
90

торой его элементы могут свободно перемещаться относительно
друг друга, слабо взаимодействуя между собой, и конструкций, в
которых элементы жестко связаны. В первом случае уменьшение
напряжений в · световодах обеспечивается наличием пустот между
элементами кабеля, во втором - применением демпфирующих сло­
ев и соответствующим их размещением. Наличие двух возможных
вариантов защиты световода в кабеле совместно с возможными
вариантами размещения упрочняющих элементов способствовало
появлению большого многообразия конструкций оптического кабе•
ля. Большинство конструкций являются комбинациями названных
вариантов. Из конструкций, появившихся к настоящему времени,
можно выделить четыре типа, которые отличаются в основном ха­
рактером компоновки кабельного сердечника. Условно их можно
назвать: многоповивные кабели или кабели повивной скрутки; ка­
бели пучковой скрутки; кабели с «профильными» сердечниками
(или ка бели с прокладками), ленточные кабели.
Примеры конструкций каждого типа представлены на рис. 2.29.
Кабели многоповивные и пучковой скрутки можно отнести к так
называемой классической конструкции. Сердечник многоповивного
кабеJ1 я выполнен в виде повивов из оптических модулей, закру­
ченных вокруг центрального упрочняющего элемента. В некото­
рых ко нструкциях такого сердечника каждый оптический модуль
{дву- или трехслойный) заключается в трубчатое покрытие из
полимера (свободная укладка).
Свойства кабеля многоповивного типа, влияние параметров его
конструкции на характеристики передачи можно изучить на упро­
щенной модели, состоящей из центрального упрочняющего элемен­
та и шест;.~ прилегающих плотно друг к другу заключенных в об-
J
ч-
3.3.J
1
00
1
00
~:)
7
5
4-
::
4-
ч-
а)
6)
4-
7
z
Рис. 2.29. Примеры различных типов конструкций оптических кабелей: а - мно ­
rоповивной или повинной шрутки; 6 - пучковой скрутки; в
-
с профильным
сердечником или с прокладками; г - ленто'!ный;
1 - оптическое волокно или модуль; 2 - лента из нескольких оптических волокон; З - обо­
лочка кабеля; 4 - упрочняющий элемент; 5 - «профильный» элемент сердечника кабеля или
прокладка; 6 - промежуточная пара; 7 - промежуточный корд
91

F'n
Рис. 2.30 . Модель кабеля
повивной скрутки:
1 - световод; 2 - покрытие; 3 -
упрочняющий элемент; 4 - обо•
лачка ка бел я
щую 9болочку оптических модулей
(рис. 2.30). Такую конструкцию
иногда называют многоволоконным
оптическим модулем или блоком
световодов. Нередко он использу­
ется в кабелях пучковой скрутки в
качестве составного элемента (пуч­
ка световодов).
Рассмотрение кабельной струк­
туры можно проводить так же, как
это делалось в § 2.2 при исследова­
нии оптического модуля, приняв за
критерий качества конструкции ме­
ханическое напряжение в световоде
dr/f'пxra-~ мм-1
5001Z3Z
100
50
10
5
0,5
4-
r,мм
Рис. 2.31. Распределение на­
пряжений вдоль радиуса
кабеля повивной скрутки:
1 - стальной упрочняющий
элемент; 2 - силиконовое
покрытие световода диа-
метром ds=0,4 мм; 3 - све­
товод; 4 - оболочка кабеля
диаметром d0 =2 мм из ней­
лона с модулем упругости
Е0 =1,4 ГПа
или радиус изгиба световода при внешних механических или тем ­
пературных воздействиях на кабель. Допустим, что на кабель дей­
ствует сжимающее поперечное давление Рп вдоль двух взаимно
перпендикулярных направлений так, что в сечении кабеля силы
приложены в четырех точках (рис. 2.30). Определение распреде­
ления напряжений в данной конструкции удобно проводить мето­
дом конечных элементов [2.24].
На рис. 2.31 представлен пример расчета распределения напря­
жений на одной из линий действия пары сил. Напряжение аг нор­
мализовано на поперечную силу Рп, приходящуюся на единицу
длины кабеля. Для расчета были приняты следующие условия:
центральный упрочняющий элемент из стали, световод покрыт
амортизирующим слоем с внешним диаметром ds = 0,4 мм, диа­
метр внешней оболочки do = 2 мм, модуль упругости материала
внешней оболочки Ео = 1,4 • 103 МПа. Расчет показывает, что мак­
симальное напряжение, наблюдаемое на поверхности оболочки,
постепенно снижается и на границе между оболочкой и амортизи­
рующим (буферным) слоем резко падает . Эта тенденция анало­
гична распределению напряжения в оптическом модуле с покры­
тием, имеющим буферный слой.
92

t--
o,oz
0,01
-
~
-
-
~
1
1
1
о
0,1
o,z
s
Рис. 2.32. Зависимость нормали­
зованного напряжения в светово­
де от диаметра буферного слоя
при различных значениях диамет ­
ра оболочки кабеля, модуль упру -
гости которой Ео = 1,4 ГПа
Методом конечных элементов
6r/Pn, ..- --
-
-
----
-
~
мм
10-J
рассчитаны также зависимость нор-
0,~5----'-,----'2----'3-dо..L..,-'мн
мализованного напряжения от па-
раметров повива. На рис. 2.32 по­
казаны кривые зависимости между
нормализованным диаметром бу­
ферного слоя S и нормализован­
ным напряжением а , /Рп. Вели­
чина S представляет собой отно­
шение диаметра световода, по-
Рис. 2.33. Зависимость нормали­
з ованного напряжения в светово­
д е от диаметра оболочки кабеля
при S=0,15 и Ea=l,4 ГПа
крытого буферным слоем d 5 ,
к наружному диаметру оболоч­
ки do, Минимальное напряжение наблюдается при S = О, 16, кото­
рое и является оптимальным. Наличие минимума в данной зависи­
мости можно объяснить тем, что при постоянном d0 и большом
.значении S напряжение в световодах велико, так как оболочка
тонка и эффективность ее защитного действия невелика . Если
же S имеет небольшое значение, то это означает, что оболочка
,более толстая и обладает высоким защитным действием , а амор­
тизирующий эффект буферного слоя несколько уменьшился . При
балансе этих двух эффектов напряжение будет минимальным .
Зависимость напряжения от диаметра d0 при постоянном зна­
чении S показана на рис. 2.33 . Как и следовало ожидать, напря­
жение падает с ув2личением диаметра кабеля, что можно аппрок­
симировать соотношением a,J Рпсх. d-; 1•31
•
Обобщая результаты расчетов, полученных методом конечных
элементов, можно получить удобную эмпирическую формулу, свя­
зывающую напряжение с конструктивными параметрами кабеля:
а/Р = (180 5S2 - 587S +741)d-1,31E-1 (мм-1J
r
п
'
,
,
о
о
'
тде Ео - модуль упругости оболочки . Результаты вычислений, про­
изводимых по данной формуле, отличаются не более чем на 2% от
результатов вычисJ1ений по методу конечных элементов.
Для повивного кабеля из световодов с трехслойным покрыти­
,ем наблюдается та же тенденция в зависимости нормирова~щого
93

напряжения от размеров оболочки [2.25]. Соотношение межд у диа­
метрами кабеля do и модуля с трехслойным покрытием d пр и раз­
личных допустимых значениях нормированного напряжения пред­
ставлены на рис. 2.34. В соответствии с рисунком при диаметре
оптического модуля 0,9 мм оптимальный диаметр кабеля буде т
равен 4 мм.
Анализ показал, что напряжение в световодах с трехслойным
покрытием в составе кабеля почти на два порядка ниже, чем у
световодов с двухслойным покрытием в таком же кабеле . Поэто­
му кабели с оптическими модулями трехслойной конструкции име-
ют более стабильные характеристики передачи.
•
Полученные расчетные закономерности хорошо согласуются
с экспериментальными результатами (рис . 2.35). Кривые зависи­
мости диаметра кабеля от диаметра оптического модуля при раз ­
личных значениях Ла хорошо повторяют ход кривых на рис . 2.34.
Затухание измерялось , когда кабель плотно наматывался на ба ­
рабан диаметром 260 мм при растягивающей нагрузке ~ 50 Н .
В кабеле использовались градиентные световоды с Л = 1%.
Таким образом для конструкции кабеля повивного типа , нахо­
дящегося под действием поперечной нагрузки, при любых за д ан ­
ных значениях нормализованного напряжения или прироста зату ­
хания существуют оптимальные значения диаметров кабеля и оп­
тических модулей.
Рассмотрим влияние низкотемпературных деформаций на ха­
ра ктеристики повивного кабеля . Будем, как и ранее, считать, что
увеличение затухания является результатом микроизгибов свето­
вода в кабеле, возникающих за счет продольного сжатия оболочки
кабеля при термоусадке. Как и в случае оптического модуля ,
можно воспользоваться мо -
а'0,мм
делью упругой балки при про­
дольном изгибе. В качестве ис­
2 '-----'- --
1 ___.___
1___.___
,
_--J
0,4-
О,б
0,8
1,0 d,мм
Р ис . 2.34 . Соотношение межлv
диаметрами кабеля и оптических
модулей при различных допvсти-
мых напряжениях
94
ходного уравнения используем
tio,
мм
4-
J
Z~~--~ --~- --"- -'
0,6
0,8
т,о
d,мм
Рис. 2.35 . Оптимальные зна­
чения диаметров кабеля и мо­
дулей при различных значени­
ях допустимого прироста за- ·
тухания

уравнение равновесия (2.55), где под Р понимается продольное
усилие, действующее на кабель из-за термоусадки, а Е представ ­
ляет собой эrщивалентпый модуль упругости кабеля.
Усилие Р, действующее на кабель, содержащий шесть светово­
дов, определяется упругими постоянными материалов элементов,
кабеля Е 1 , их поперечными сечениями S 1 и коэффициентами тем ­
пературного расширения:
Р = (SаЕааа+6SсЕсас+6SпЕпап+SоЕоао)ЛТ,
(2.62)
где ЛТ - разность температур, а индексы а , с, п , о относятся соот­
ветственно к упрочняющему элементу, световодам, покрытия м све ­
т оводов и оболочке 1<абеля.
Эквивалентный модуль упругости определяется по формуле
Е= SaEa + 6ScEc+6SпЕп+SoEo
(2.63}
Sa+6Sc+6Sп+S0
Анализ результатов, получаемых при решении (2.55), доста­
точно трудоемок. Ограничив задачу только выявлением общих за­
кономерностей, действующих в кабеле при отрицательных темпе ­
ратурах, можно, использовав более простую модель, упростить
анализ. В такой модели радиус изгиба
\R1=1/(kV2V1- cosо);k=V-F/EJ,
(2.64)
где 8 - угол между осью z и касательной к изогнутой балке в
точке z=O (см. рис. 2.20) . Данная формула использовалась в [2.24]
для вычисления прироста затухания Ла в зависимости от разности
температур ЛТ. При этом величина прогиба 8 определялась через
усилие Р по приближенной формуле
F/Fкp= 1 +4,22 · I0-58-2 ,
(2.65)
где F кμ =л.2ЕJ/4l;-- критическая (эйлерова) сила; lд - длина
структурной деформации.
Подставляя (2.62), (2.63), (2 .65) в (2.64), можно получить за­
висимость радиуса изгиба от разности температур , а затем, ис­
пользуя связь между радиусом изгиба и приростом затухания , вы­
числить зависимость между Ла и ЛТ. Очевидно, что Ла резко уве­
личивается при разности температур, близкой к ,ЛТ кр, когда уси­
лие F ~ Fкр и кабель теряет устойчивость (рис . 2.36). Значение
ЛТкр тем больше, чем больше do. То же наблюдается на рис. 2.37,
где показана зависимость ЛТкр от нормированного значения диа­
метра . буферного слоя S, а в качестве параметра взят диаметр
кабеля do. Штрихом на этом рисунке показан график, ниже зна­
чений которого кривые не существуют, так как не существует диа­
метра буферного слоя ds, меньшего, чем диаметр световода
125 мкм. Рост ЛТкр при увеличении диаметра do на первый
взгляд может казаться неожиданным, поскольку при увеличении
do возрастает сжимающая сила. Объясняется этот рост, по-види­
мому, тем, что наряду с ростом сжимающей силы растет и жест­
кость кабеля, которая приводит к увеличению значения Fкр•
95

Рис. 2.36 . Изменение приро­
ста затухания при потере
устойчивости кабеля для
различных
диаметров и
Ео= 1,2 ГПа, S=0,2
150
100
о ._____.__ ___.__ ___.___....
0,7
o,z
0,3 S
Рис. 2.37 . Зависимость значе-
ния критической разности тем­
ператур от нормализованного
значения буферного слоя при
различных диаметрах кабеля
(Eo=l,4 ГПа, lд=4 мм)
Величина ЛТ кр зависит также от длины структурной деформа­
ции lд. Последняя зависит от параметров нерегулярностей, диа­
метров пучка световодов и кабеля, концентричности пучка и обо ­
лочки . Изгиб балки, как известно, осуществляется легче (т. е. с
меньшим усилием), когда ее длина больше. Поэтому ЛТ кр должна
расти при уменьшении lд, Расчеты по вышеприведенным форму­
лам показали, что .Л Т кр обратно пропорциональна z: . Например,
для того чтобы получить ЛТкр>60°С в интервале возможных диа­
метров оболочки 0,8 ... 2 мм при модуле упругости 103 МПа, не­
обходимо иметь длину структурной деформации не более 3 ... 4 мм.
Описанные зависимости между конструктивными параметрами
и характеристиками кабеля повивного типа получены для несколь­
ко упрощенной модели . Тем не менее основные закономерности
с некоторыми уточнениями для каждого конкретного случая со ­
храняются, по-видимому, и для более сложных моделей повивно ­
го типа .
Повивная конструкция эффективна для кабелей с числом мо­
дулей менее 20. Оптимальным вариантом является восемь - де­
сять модулей [2.26] . Типовой повивной кабель имеет диаметр
7 ... 10 мм и шесть - восемь оптических модулей . В некоторых ва­
риантах в одной повивной скрутке с оптическими модулями нахо­
дятся медные проводники. Повивная конструкция оптических кабе­
лей совместима с методом сращивания отдельных световодов .
Сердечник кабеля пучковой скрутки состоит из повивав пучков
оптических модулей вокруг центрального упрочняющего элемента .
Каждый пучок может иметь повивную конструкцию . или быть вы-
96

·-
полнен в виде кабеля с профильным сердечником. Сердечники
пучковой скрутки, как правило, скручены из однотипных (по внеш­
ним размерам) пучков, что является их характерной особенностью.
Повивы в сердечнике пучковой скрутки в отличие от повивной
скрутки имеют одинаковые направление и шаг скрутки.
Влияние внешних механических нагрузок на оптические кабели
пучковой скрутки несколько отлично от влияния на кабели повив­
ной скрутки. Оптический кабель, состоящий из восьми пучков
(многоволоконных модулей), скрученных вокруг центрального
стального усиливающего элемента диаметром 6,45 мм, исследовал­
ся [2.25] на устойчивость к воздействию сжимающих сил в двух
взаимно перпендикулярных направлениях, как это делалось при
исследовании кабеля повивной скрутки (см. рис. 2.30). Каждый
пучок диаметром 4 мм состоял из шести световодов и пред­
ставлял собой модуль, сечение которого сходно с показанным на
рис. 2.30 .
Результаты анализа показали, что напряжение в световодах
различных пучков разное и определяется положением относитель­
но точек приложения сил. Установлено, что напряжение, вызывае­
мое в выбранном световоде действием сил сжатия в двух перпен­
дикулярных направлениях (в четырех точках), почти в 10 раз
меньше, чем напряжение от сжатия в двух направлениях (в двух
точках). Сам световод при этом находится в точке поперечного се­
чения кабеля, где напряжение максимально. Это можно объяснить
тем, что в случае сжатия кабеля в двух точках радиальные и тан­
генциальные составляющие усилия различны по величине, а при
действии сжимающих сил в четырех точках они почти равны. Об­
наружено также, что толщина оболочки кабеля влияет на напря­
жение в световодах более значительно при двухточечном нагру­
жении. С увеличением толщины оболочки кабеля напряжение рез­
ко снижается.
В кабеле пучковой скрутки при надлежащем выборе диаметра
центрального усиливающего элемента с покрывающим его демп­
фирующим слоем и шага скрутки пучков можно получить, как и в
кабеле повивной скрутки, жесткость первого вида (см. § 2.2).
Если, кроме того, кабель состоит из пучков, конструкция каждого
из которых также рассчитана на жесткость первого вида, то мож­
но значительно уменьшить напряжения световодов при продоль­
ных нагрузках на кабель.
Использование кабелей пучковой скрутки обещает некоторые
преимущества в части монтажа . Опыт монтажа электрических
кабелей . пучковой скрутки показал, что при использовании развет­
вительных муфт уi1рощаются и ускоряются операции разветвле­
ния. По-видимому, то же можно ожидать и для световодных кабе­
лей. Однако без широкого опыта эксплуатации выводы о данном
преимуществе делать преждевременно, так как технология монта­
жа оптического кабеля, их емкость и организация сети связи на
оптическом кабеле имеют свою специфику, в силу чего преимуще­
ство может оказаться несущественным.
7-1149
97

В электрических кабелях пучки при скрутке в кабель дефор­
мируются, приобретая в сечении форму сектора или сегмента , тем
самым достигаются размеры, мало отличающиеся от размеров по­
вивных кабелей. В оптических кабелях пучковой скрутки такая,
деформация пучков недопустима, поэтому диаметры их больше .
чем у повивных. В связи с этим представляет интерес сравнение
пространственных факторов таких конструкций. Прост р анственный
фактор оптического кабеля повивного типа может быть пре дстав ­
лен выражением
где п- число световодов; d- диаметр световода с покрытием ;
Т - толщина поясной изоляции сердечника кабеля. Для кабеля~
пучковой скрутки пространственный фактор
nNd2
У,- 4(: (i+cosec:) +т,)' (1+cosec ~ )''
где N - число пучков ; Тп- толщина поясной изоляции;
: ( 1 + cosec : )+r,.-радиус пучка световодов с покрытием.
Расчеты по приведенным формулам показывают, что при отно­
сительно небольшом числе световодов (менее 25) пространствен ­
ный фактор кабеля пучковой скрутки меньше, чем у повивного
кабеля. Поэтому при числе световодов менее 25 предпочтение от­
дается rтовивной конструкции кабеля, а при числе световодов бо ­
лее 25 - пучковой скрутке, при этом оптимальным числом свето­
водов в пучке является шесть - десять.
При выборе структуры кабеля следует также иметь в виду .
что в кабеле пучковой скрутки каждый световод вдоль оси дефор ­
мирован по двум геликоидам, имеющим разный шаг . Изгиб тако­
го кабеля вызывает в некоторых точках световодов напряжение
несколько большее, чем в световодах повивного кабеля, изогнуто ­
го на такой же радиус. В этом отношении повивная скрутка пред­
почтительней.
Итак, кабель с сердечником пучковой скрутки эффективен при
числе световодных модулей 25 ... 50. Диаметр типового кабеля из
40 световодных модулей составляет 15 .. . 25 мм. Кабели пучковой
скрутки соединяются по способу сращивания отдельных свето­
водов.
Кабели, изображенные на рис. 2.29, в, имеют сердечники , со­
стоящие из центрального несущего пластикового элемента с винто­
образными пазами. В пазы свободно без натяжения укладывают­
ся световоды с первичным покрытием или световод н ые моду ли.
Сердечник обматывается ленточной изоляцией или покрывается
оболочкой. Разновидностью этого типа сердечника является сер -
98

·-
дечник, состоящий из центрального упрочняющего элемента круг ­
лого сечения, вокруг которого спирально навиты прокладки (ци­
линдрические элементы), а между ними уложены световодные мо­
дули. Диамет,ры последних меньше диаметров прокладок, поэто­
му медули лежат свободно.
Такая конструкция обеспечивает удовлетворительную защиту
световодов без использования дополнительных защитных мер , т. е .
свободная укладка световодов осуществляется проще, чем в дру•
гих типах конструкций, где световоды предварительно заключают­
ся в трубки . Конструкция позволяет в процессе скрутки регулиро­
вать натяжение световодов, открывая тем самым возможность для
использования световодов только с первичным покрытием . Кроме
того, упрощается процесс введения гидрофобных заполнителей .
Механизм взаимодействия элементов в кабеле с профильным
сердечником при растяжении и температурных воздействиях схо­
ден с механизмом в кабелях, в которых используются световоды,
свободно уложенные в трубках (см . § 2.2). При приложении к
кабелю продольной нагрузки сердечник растягивается и световоды
опускаются на дно пазов. После момента касания световодов дна
паза дальнейшее удлинение центрального элемента приведет к
напряжениям и микроизгибам в световодах из-за возникших по­
перечных прижимающих к пазу сил. В связи с этим допустимая
деформация кабеля на растяжение Едап = ЛL/ L должна быть не
более величины деформации, возникшей до момента контакта
между световодами и дном паза. Если световод в исходном поло ­
жении находится в центре паза, то допустимая деформация связа ­
на с конструктивными параметрами кабеля выражением
/7пз- d
(2.66)
где Dcp - диаметр сердечника кабеля; d - диаметр световода с
первичным покрытием (или световодного модуля); hпз - глубина
паза; μ. -
коэффициент Пуассона материала сердечника ; р - шаг
скрутки; р = (Dcp-flпз) /2 - радиус скрутки в исходном положении .
При температурном сжатии сердечника кабеля световоды, бла­
годаря меньшему, чем у центрального элемента КТР , перемещают­
ся к наружной части паза и соприкасаются с обмоткой сердечни ­
ка н:абеля. Величина деформации сердечника в момен т контакта
определяет критическое значение температуры ЛТкр, превышение
I{Оторого приводит к возникновению нежелательных изгибов :
дТ,,= [ 1
h", -
d
'
(2.67)
Р 21t 2 (f)2 (аср-ас)-(аср+ас)]
где ас, аср - коэффициенты температурного расширения световода
и сердечника кабеля соответственно.
Наряду с профильными элементами со спиральными пазами в
кабелях используются центральные элементы, пазы которых ме-
7*
99

няют направление с каждым шагом скрутки. Изготовление сер­
дечника кабеля с разнонаправленной скруткой проще, чем спи­
ральной, так как не требуется кручения матрицы или приемной
бобины при изготовлении центрального элемента и нет необходи­
мости в открутке световодов при их укладке в пазы. Кабель с
разнонаправленной скруткой имеет, кроме того, несколько лучшие
механические и температурные характеристики, в чем нетрудно
убедиться, сравнивая результаты расчетов, проведенных по (2.66)
и (2.67) для спиральной скрутки и по формулам для разнонаправ­
ленной скрутки
р [(4/7t4) (аср -ас)-(аср + СХс)]
На рис. 2.38 представлены зависимости допустимого относи­
тельного удлинения и критического значения температуры от шага
скрутки при следующих значениях параметров кабеля: диаметр
световода с покрытием d = 0,4 мм, радиус центрального элемента
Dcp/2 = ?,,2 мм, г лубнна паза hпз = 1 мм, КТР световода с покры­
тием ,ас= 0,5 • 10-5 0 с- 1 , К ТР центрального профильного элемента
аср= 1,3· 10-5 0 с- 1 • Как видно из рисунка, кабель с профильным
сердечником и указанными конструктивными параметрами имеет
ЛТкр, Едоn,
ОС%
бО l,Z
50 1,0
W 0,8
\\
11
11
11
'\
1\
1\
1\
1\
\\
\\
\\
\\
\\
\\
\\
\\
7\\т
~\\
\\
\'-
'-, ',
, .....
:Ilz
о L O _ _j __ _ _L.::::::c::: ':::::::!!!.__ _J
ТО
ZO
JO
40 р,сн
Рис. 2.38 . Влияние шага скрvтки
на допустимую деформацию ка ­
беля и критическую разность тем -
ператур:
1 - разнонаправленная скрутка;
2 - спиральная скрутка
неплохие температурные и механи­
ческие характеристики при шаге
скрутки 10 ... 20 см.
Кабели с профильными сердеч­
никами обычно содержат 8 ... 20
световодов. Имеются конструкции
кабеля пучковой структуры, где в
качестве пучков используются эле­
менты в виде профильного сердеч­
ника. Такой комбинированный ка­
бель может содержать до 80 све­
товодов при внешнем диаметре
20 мм. Конструкция кабеля с про­
фильным сердечником удобна при
монтаже и совместима с методами
сращивания отдельных световодов.
Ленточные кабели имеют сердеч­
ник из отдельных плоских лент,
содержащих параллельно уложен­
ные световоды с шагом между ни­
ми в несколько десятых долей мил­
лиметра. Несколько лент наклады­
ваются друг на друга стопкой и
скручиваются, образуя сердечник
100

кабеля. Оболочка кабеля обычно содержит усиливающие элемен­
ты. Ленточные кабели отличаются малыми размерами, конструк­
ция пространственно эффективна . Например, кабель, состоящий
из 144 световодов, имеет диаметр 12 мм [2.27]. Благодаря малым
размерам сердечник легко компонуется с другими кабельными эле-
'
ментами, образуя комбинированные структуры (см . рис. 2.29).
Производство ленточных оптических кабелей достаточно экономич­
но. Значительным преимуществом конструкции таких кабелей яв­
ляется возможность применения методов сращивания как отдель­
ных, так одновременно нескольких световодов.
Низкая устойчивость ленточных кабелей к механическим и тем­
пературным воздействиям (ленты имеют полимерную основу) при­
вела к созданию вариантов конструкции со свободной укладкой
световодов в ячейки, образованные лентами. Здесь также приме­
няются материалы, позволяющие улучшить температурные харак­
теристики и уменьшить остаточное влияние скручивания сердечни­
ка на затухание. Например, в одной из конструкций лента обра­
зована ячейками из алюминия [В.10].
Таким образом, каждый из рассмотренных выше типов конст­
рукций · кабеля имеет свои достоинства и недостатки, поэтому в
каждом конкретном случае применения оптических кабелей выбор
оптимального варианта будет определяться условиями эксплуата ­
ции, строительства, экономической эффективностью и уровнем
развития техники, позволяющим улучшать параметры или пол­
ностью устранять отдельные недостатки конструкции.
Одним из факторов, определяемых условиями эксплуатации
(см . § 2.1) и влияющих на выбор конструкции, является необхо­
димость защиты световодов от влаги. Ранее уже отмечалось, что
содержание оптических кабелей под избыточным давлением с
целью их влагозащиты малоэффективно. Метод наложения влаго­
непроницаемых защитных покрытий непосредственно на световоды,
например металлического слоя {2.28], имеет свои недостатки -
уве,1ичение затухания из-за обжатия жестким покрытием и под­
верженность электромагнитным влияниям. Кроме того, при дан­
ном методе задача влагозащиты кабеля решается лишь частично ,
так как при попадании влаги под оболочку кабеля имеется боль­
шая вероятность разрушения световодов благодаря механическим
воздействиям при замерзании влаги в кабеле . Поэтому более есте ­
ственным путем обеспечения влагозащиты является создание кон­
струrщи_й кабеля с радиальной и продольной герметизациями .
В настоящее время во многих странах, занимающихся исследо­
ванием и производством влагонепроницаемых кабелей, признается,
что наиболее простое и эффективное решение заключается в за ­
полнении сердечника гидрофобным заполнителем.
Гидрофобный материал должен удовлетворять следующим
требованиям :
быть стабильным в требуемом диапазоне температур, т. е . при
высоких температурах не терять водоблокирующих свойств и не
101

затвердевать при низких температурах, что может привести к ми­
кроизгибам;
сохранять физические и химические свойства в течение всего
срока службы кабеля;
иметь вязкость, не препятствующую перемещениям световодов
в кабеле при механических и температурных воздействиях, но од­
новременно не допускающую перемещения или вытекания самого
гидрофобного материала;
не вступать в химическое взаимодействие с материалами кабе­
ля и не быть токсичным.
В значительной мере таким требованиям отвечают пастообраз­
ные компаунды на основе высокомолекулярных соединений угле­
водородов ,[2 .29] . Благодаря пластичности таких заполнителей вве­
денне их в сердечник может осуществляться при нормальной тем­
пературе под давлением или в жидком состоянии при повышенной
температуре.
Как показали испытания, при прокладке и монтаже заполнен­
ных электрических кабелей связи не возникает серьезных проблем .
Прокладка может производиться обычными механизированными и
ручными способами, а монтаж методами, аналогичными общепри­
нятым для незаполненных кабелей.
Стоимость заполненных кабелей, как правило, лишь незначи­
тельно превышает стоимость обычных незаполненных кабелей.
Однако обслуживание и содержание линий из заполненных кабе­
лей обходится значительно дешевле. Это обусловлено экономией
за счет оборудования и штата обслуживающего персонала для со­
держания кабелей под избыточным давлением, уменьшения затрат
на восстановительную эксплуатацию и замену поврежденных
кабелей .
В последнее время появились работы по исследованию влияния
заполнителей на волоконные световоды. Найдены заполнители, не
влияющие на параметры световодов.
Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ
3.1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕl::t
Технологический процесс изготовления оптических кабелей со­
стоит из основных операций последовательного цикла производст­
ва кабеля и вспомогательных операций, выполняемых параллель­
но с основными. Основные операции выполняются в следующей по­
следовательности:
входной контроль материалов;
вытяжка световодов с нанесением первичных и вторичных за­
щитных покрытий;
102

формирование сердечника кабеля (скрутка сердечника);
наложение на предварительно сформированный сердечник на­
ружных полимерных оболочек;
наложение защитных покровов;
приемочные испытания .
~
-
Структура технологической цепочки может изменяться в зави-
,симости от конструкции кабеля. Однако изготовитель должен
иметь возможность выпускать оптические кабели достаточно ши­
,рокой номенклатуры, чтобы все элементы технологического про­
цесса присутствовали в полном объеме. В этом смысле приведен­
ная выше последовательность операций может рассматриваться
как типовой технологический процесс.
Основные технологические процессы, связанные с изготовле-
1шем оптического кабеля (вытяжка световодов, скрутка сердечни­
ков, наложение полимерных оболочек, брони и т. д.), аналогичны
тем, которые выполняются при производстве электрических кабе­
.лей, и реализуются на таком же технологическом оборудовании.
Однако имеются и различия в технологии, определяемые малым
<Относительным удлинением кварцевых волокон при растяжении и
зависимостью дополнительных потерь в световодах от изгибов,
возю;кающих при изготовлении кабеля.
Следует отметить, что для разных условий производства техно­
логический процесс изготовления оптических кабелей может вклю­
чать в· себя вытяжку волоконных световодов из кварцевых загото­
вок (преформ) либо начинаться с входного контроля световодов ,
получаемых от других изготовителей. Основной критерий качест­
ва технологического процесса - отсутствие приращения потерь в
,световодах при изготовлении кабеля. Необратимые изменения,
-связанные с деформацией волоконных световодов и возникнове­
нием дополнительных потерь, могут происходить при основных
-технологических операциях : вытяжке световодов, скрутке кабель­
ного сердечника и наложении на сердечник экструдируемых обо­
.лочек . Рассмотрим особенности этих технологических процессов.
3.2 . ИЗГОТОВЛЕНИЕ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ
ПРОЦЕСС ВЫТЯГИВАНИЯ СВЕТОВОДОВ ИЗ ЗАГОТОВОК
Существующие промышленные способы получения кварцевых
заготовок основаны на газофазных методах, в которых использует­
,t:я реакция окисления галогенидов кремния и легирующих компо­
нентов · при высокой (до 2000°С) температуре . Независимо от мето­
да производства заготовок процесс вытяжки включает в себя
операции разогрева заготовки, вытяжку световода и защиту по­
верхности световода от воздействия окружающей среды. Структур­
ная схема установки приведена на рис. 3.1. Заготовка 1 устрой­
{:ТВОМ подачи 3 погружается по мере вытяжки волокна 2 в
nечь 4. Диаметр волокна регулируется системой обратной связи,
состоящей из оптического бесконтактного измерителя 6 и микро-
1Процессор а 7. Регулировка обеспечивается изменением скорости
103

!О
7Т
ч-
5
б
J
тягового устройства 11 и приемника 12.
Для наложения первичного защитного по­
крытия используется жесткоцентрирован­
ная фильера 8 с подпитывающим устрой­
ством 9. Заправка волокна в фильеру про­
изводится заправочным механизмом 5. Тип
печи для сушки покрытия 10 волокна опре­
деляется его материалом. Обычно установ­
ка вытяжки волокна снабжается не менее
чем двумя фильерами и печами для нанесе­
ния двухслойных покрытий. Скорость вы­
тяжки может изменяться от 20 до 100 м/мин
при температуре печи 2000 ... 2200°с . Для
нытяжки высококачественных кварцевых
световодов необходимо обеспечить точ ­
ность поддержания температуры поря д ка
±2°С и обеспечить вытяжку в чистой ат -
мосфере.
Рис. 3.1 . Схема установ-
В настоящее время для вытяжки квар-
ки ДЛЯ ВЫТЯЖКИ ВОЛО·
конных световодов
цевых волокон широко применяются графи-
товые · печи сопротивления . Точность под­
держания температуры в графитовых печах может быть обеспече ­
на до ±2°С. Графитовые печи работают в инертной атмосфере .
Индукционные циркониевые печи не требуют инертной атмосферы
и обладают лучшей температурной стабильностью [3.1]. До насто­
ящего времени, особенно для массивных заготовок, в качестве
Есточника тепла используется кислородно -водородное пламя. Ста­
бильность пламени зависит от конструкции горелки. Нестабиль­
ность пламени приводит к тому, что точность поддержания диа ­
метра в лучшем случае не превышает ± 2 %, в то время как в пе­
чах с рабочим телом нагревателя достижимая точность мт~-;е т
быть повышена до ± 0,25 % [З.1] . Поверхность волокна сразу после
вытяжки должна быть защищена от воздействия окружающей сре­
ды. Без такой зашиты готовые волокна быстро разрушаются в.
процессе хранения. При наложении первичных защитных покры­
тий преследуются две пели: защитить поверхность волокна от воз­
действия влаги и обеспечить защиту поверхности от абразивных
воздействий при контакте с элементами установки. Механизм по­
верхностного разрушения поверхности волокна из - за взаимодейст­
вия с влагой иллюстрируется следующей схемой [З.2] :
1
1
!
[- -Si-O - Si-] +н2O ..... 2 [-- Si-OH]
1
1
1
Эта реакция приводит к разрыву связей в матрице стекла и ини­
циирует рост трещин. Нанесение полимерных покрытий на поверх­
ность волокна, имеющих адгезию к кварцу, снижает его поверх ­
ностную энергию и обес п ечивает химическую защиту стекла . Де­
талыrый механизм такой защиты до настоящего времени глубоко.
не исследован. Имеется положительный опыт испо"льзования для,
104

этой цеJiи кремнийорганических компаундов, обеспечивающих да­
же в тонких слоях эффект сохранения прочности волокна в про­
цессе хранения. Кремнийорганические компаунды с низким моду­
лем упругости (Е""" 10 МПа) весьма широко используются для
первичных покрытий волоконных световодов в качестве буферного
•-
слоя, снижающего дополнительные потери при изготовлении
кабеля .
В относитеJiъно толстых слоях (50 мкм и выше) кремнийорга­
нические компаунды обеспечивают достаточную механическую за­
щиту волокна в процессе хранения. Однако из-за низкой механиче­
ской прочности и высокого коэффициента трения для дальнейшей
переработки в кабель такая конструкция волокна требует допол­
нительной защиты. Тонкостенные высокопрочные покрытия могут
наноситься поверх первичного покрытия непосредственно в про­
цессе вытяж1ш волокна. Для тонкостенных покрытий используются
полнарилатные и эпоксиакрилатные лаки ультрафиолетового от­
верждения, полиимидные лаки, композиции на основе винилиден­
фторидов и т . д.
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА МЕХАНИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ ВОЛОКНА
Теоретические оценки прочности кварцевых стекол основаны
на оценке прочности связи Si = О. Разные физические модели дают
близкие значения теоретической прочности, которые лежат в ин­
тервале значений 0,1 ... 0,3 от величины модуля упругости (Е =
= 73 ГПа) кварца [3.1, 3.2, 3.6]. Однако реальная прочность ква р­
цевых волокон существенно ниже и составляет 4 ... 5 ГПа для луч­
ших типов световодных кварцевых волокон. Для рядовых про­
мышленных партий это значение может быть несколько ниже .
Прочность волокна снижается из-за наличия поверхностных и
объемных дефектов в заготовках и готовом волокне, а также из-за
1,оздействия внутренних напряжений, возникающих в волокне в
процессе вытяжки из заготовок . Кроме того, снижение
механической прочности волокна инициируется процессами хими­
ческой коррозии в результате воздействия атмосферной влаги .
Теория хрупкого разрушения стекла основана на гипотезе ми­
кротрещин Гриффита [3.3], развитой впоследствии Ирвином и дру­
гими исследователями [3.4, 3.5]. Гриффит, в частности, нашел для
случая эллиптической трещины длиной L, модуля упругости мате­
риала Е и поверхностной энергии 'У выражение, определяющее раз­
рушающее напряжение : <Jp =
~
1 2Еу/лL . Отсюда можно оценить
порядок величины трещины при известном разрущающем напря­
жении. Очевидно, что большие размеры дефектов приводят к ма ­
лым разрушающим напряжениям, и наоборот. При этом важно,
что каждому размеру трещины соответствует определенное крити­
ческое напряжение <Jp, при превышении которого наступает ката­
строфическое разрушение волокна.
Таким образом, механическая прочность волокна определяется
размером дефектов на его поверхности. Размеры и число этих де-
105

фектов зависят от качества заготовки, условий п р оведения тех­
нологического процесса вытяжки, степени чистоты материалов
первичных покрытий. Оказывается весьма важно обеспечить чи­
,стоту на всех этапах технологического процесса вытяжки . Необ­
ходимые меры, позволяющие снизить число дефектов на поверхно-
сти волоконного световода при проведении процесса вытяжки по
.•
операциям, должны включать в себя [3.1]:
травление и огневую полировку заготовок и их транспорти­
ровку к вытяжке в герметичной таре;
обеспечение стериальной зоны в печи вытяжки и в рабочей
зоне вытяжки вплоть до момента наложения защитных покрытий;
соблюдение температурного режима вытяжки;
фильтрацию композиций для первичных покрытий с целью
исключения контакта твердых частиц с поверхностью волокна;
исключение контакта непокрытого волокна с конструктивными
элементами установки для вытяжки, в том числе с материалом
фильер.
Эти меры являются недостаточным, но обязательным условием
получения высокопрочного волокна. Дефекты могут быть вызва­
ны не только механическими повреждениями, но и другими причи­
нами, например процессами кристаллизации, случайным различи­
,ем в структуре поверхности, внутренним дефектом опорной труб­
·ки, которые практически не могут быть исключены мерами, пред­
принимаемыми при операции вытяжки волоконного световода.
Поэтом у важно обеспечить эффективный контроль прочности во­
локонных световодов перед изготовлением кабеля.
Самое общее предпо.1южение о статистическом характере рас­
п ределения дефектов по · длине l волокна и предположение о том,
что разрушение волокна происходит по дефекту максимального
размера с минимальным уровнем прочности, приводят к описанию
вероятности разрушения волокна длиной l распределением Вей­
.булла:
F(l, о)= 1- ехр [- +а- (+а-)т] ,
(3.1)
тде!0-
некоторая базовая длина волокна, например длина об­
разца при испытании на разрыв; О'а - предельное максимальное
-значение разрывной прочности волокна на длине la; а- прило­
женное к волокну напряжение; т - характеризует плотность рас­
пределения дефектов по длине волокна.
Для обработки экспериментальных данных оказывается весь­
ма удобным прологарифмировать выражение (3.1):
lnln[l/(1-F(l, о))] = mln ( : 0 )+1n (:о).
(3.2)
На рис . 3.2 приведено полученное экспериментально типичное
,распределение вероятности разрывной прочности для волокна ти­
:па «кварц - кварц» с размером сердечника 50/125. Характерный
,излом кривой на рис. 3.2 указывает на наличие, по крайней мере,
106

~
i;fI
;::j
~
~
~~Е,
~
~n::,
100
80
~о
50
о
о
40
о
о
30
о
о
20
о
то
8
б
5
~
.J
.Z
1 ----z~-....
J--~ ~. ...
5
Про3/ность ни разры8,хJО 3мnа.
р
Рис. 3.3. Схема испытания волок11а
на прочность:
J - направляющие ролики; 2 - контроль•
ные ролики; 3 - волокно
двух видов дефектов, распреде­
ленных по длин:е волокна ·С раз­
ной плотностью .
Вероятность разрушения во­
локна зависит не только от при­
ложенной нагрузки, но и от вре­
мени t , в течение которого она
приложена . С учетом временного
фактора функция распределения
вероятности разрушения волокна
может быть записана в виде
F([, а, t)=
= 1- ехр[- :о(:JтCt·Y]
Рис. 3.2 . Зависимость вероятности uаз-
(3 ,3)
рушения волокна от усилия разрыва
t
·
,
а
где
о- временная
констант
трещины; Ь - константа.
Если известны распределения вероятности разрушения F ([, cr,
t 1) и F (l, а, t2 ) для двух значений времени действия напряже­
н ия t 1 и f2, то для одинаковой заданной вероятности разруше­
ния Р 1 получим значения разрушающего напряжения 0"1 и cr2.
Тогд а из (3 .3) следует, что
1
l!ti
lncr2= nа1+- п
-
.
С
t2
(3.4)
Определяя Ь из эксперимента, получаем зависимость времени от
напряжения с заданной вероятностью сохранения целостности во ­
локон .
Таким образом, статистический характер распределения раз­
рывной прочности волокна по длине приводит к выводу, что при
лроизводстве кабеля необходимо производить предварительную
<Отбраковку дефектов в волокне.
107

Отбраковка дефектов осуществляется путем перемотки волок­
на с заданным уровнем натяжения Рк, 1<оторый определяется исхо­
дя из заданной долговечности кабеля и допустимой вероятности
разрушения волоконного световода на единицу длины кабеля .
Общий подход к решению этой проблемы описан выше. Одна­
ко на практике задача осложняется тем, что реальный кабель ра­
ботает в условиях широкого диапазона температур и влажности .
Рост трещин сильно ускоряется при высоких температурах и влаж­
ности и замедляется при низких значениях этих параметров. По­
этому возможны только весьма приближенные рекомендации по
соотношению уровня натяжения Рк при контрольных испытаниях
и допустимой нагрузки Рд на волокно в кабеле . В [2.32], напри­
мер, рекомендуется выбирать соотношения Рд/Рк в интервале
0,12 ... 0,25, т. е. если уровень натяжения при контрольной пере­
мотке установлен 5Н (например, для волокна типа «кварц -
кварц» с размером сердечника БО/125), то кабели должны быть
сконструированы . таким образом, чтобы нагрузка на волокно в
процессе эксплуатации и изготовления не превышала :интервал
значений 0,6 ... 1,25 Н.
Одна из возможных схем контрольных испытаний волоконных
световодов приведена на рис . 3.3 . В этом случае эквивалентное
натяжение
r.:аз
Рк=Р+Е -- ,
г
где Р -усилие натяжения волокна (выбирается равным
0,8 ... О, 12Рк); а - радиус кварцевого сердечника; Е - модуль упру­
гости кварца; r -- радиус контрольного ролика.
Такая схема испытаний позволяет исключить влияние полимер ­
ной оболочки на разрывную прочность волокна . Установка для
испытания по такой схеме снабжена датчиком натяжения с обрат­
ной связью и приводом перемоточного устройства, измерителем
диаметра волокна и прибором, фиксирующим место обрыва волок­
на в процессе испытаний.
НАНЕСЕНИЕ ЗАЩИТНО - УПРОЧНЯЮЩИХ ОБОЛОЧЕК НА ВОЛОКОННЫЙ СВЕТОВОД
В составе кабелей волоконные световоды могут использоваться
с тонкостенными защитными покрытиями, нанесенными в процессе
вытяжки из растворов, либо в толстостенных защитно -упрочняю­
щих оболочках из полимерных материалов . Волоконные светово­
ды первого типа используются, как правило, в конструкциях кабе­
лей со свободной укладкой волокна, второго типа - с плотной
укладкой. Использование того или другого типа волокна в конст­
рукции кабелей определяется типом разъемных соединений, ис­
пользуемых в системе связи, необходимостью разделения светово­
дов при монтаже, требованиями к габаритным размерам кабелей,
условиям их эксплуатации и т. д. Примеры конструкций кабелей:
со свободной и плотной укладкой приведены в гл . 2.
108

750
zoo
Z50
Волоконные световоды в
толстостенных защитных обо­
лочках более устойчивы К1 воз­
действию радиальных нагру­
зок, возникающих при изгибах
в процессе монтажа кабе­
ля [3 .2], чем волоконные све­
товоды с тонким защитным
покрытием, и имеют большую
механическую прочность. За•
висимость механической проч­
ности волоконных световодов с
JOO J50 размером сердечника 50/125 в
Толщiша поffрытая,мкм
оболочке из полиамида от ее
Рис . 3.4 . Зависимость разрывного vси­
лия волокна от толщины защитно-упроч­
няющей оболочки
толщинlЫ прив,едена на рис. 3.4
[3 .7].
Таким образом, толстостен-
ные
защитно-упрочняющие
оболочки являются эффективным средством разгрузки кварцевого
сердечника при изготовлении кабеля и в процессе его эксплуата­
ции. Выполняю11ся защитно-упрочняющие оболочки из традицион­
ных для кабельной промыш\!Iенности т,ермопластичных материалов
с высокими механическими характеристиками : полиамидов, фто­
ропласта -4МБ, фторопласта-2М, фторопласта-40 и некоторых
других. Основн1Ые характери,стики наиболее широко используемых
для) этой цели материалов приведены в табл . 3.1 . Все эти материа­
лы имеют отличную влагостойкость .
Наложение за щитно - упрочняющих оболочек на волоконные све­
товоды осуществляется методом экструзии и производится на
червячных машннах с диаметром шнека 25 ... 32 мм. Принципи­
альная схе ма червячной машины (экструдера) приведен а на
рис. 3.5. Червячная машина состоит из шнека 1, расположенного
внутри цилиндра 2 с гильзой 3, изготовленной из коррозионно­
стойк их сплавов . Нагреватели 4 обычно группируются в зоны
обогрева. На выходном конце цилиндра устанавливается головка
с пре сс овым инструмеытом 5, соединенная с цилиндром шейкой б.
Рис . 3.5 . Принципиальная схема экструдера
109

-
-
с:,
Таблиц а 3.1
Параметр
Временное со п ротивление разрыву, МПа
Модуль у п ругости, МПа, при 20°С
Коэффи циент линейного тем п ературного
расширения, 1/0 С
Длительная н агревостойкость, 0С
Холодоустойчивость, 0С
Горючесть
Примечание. Г - горючий, НГ
-
негорючий .
Таблиц а 3.2
Зона экстру дера
Цилиндр:
первая
вторая
третья
Шейка
Головка
Матрица
.,
-.
•
-
Полиамид (610)
50 ... 60
(1,5 ... 1,7) •103
1,1 - 10-4
-·
70
-40
г
полиамида
220 ... 240
220 ... 240
240 ... 260
240 ...260
280 ...290
280 ... 290
1
--
Фторопласт -4МБ
22
(0,5 ... 0,7) •103
9.10-5
200
-
70
нг
Фторопласт-2М
50 ... 60
(0,9 ... 1,3) -103
10-5
135
-60
нг
Тем п ература п ереработки, 0 С
фторо п ласта-4М Б
1
фторо п ласта-4O
290 ...320
240 ... 270
320 ... 340
260 ...290
330 ... 350
27Q ... 300
330 ... 350
290 ... 340
330 ... 360
330 ... 360
340 ... 360
330 ...360
·-·
1 Фторопласт-4O
50 ... 60
1- 103
9-10-5
150 ... 200
-60
нг
1
фтороnласта-2М
180 ... 220
220 ... 240
230 ... 250
230 ... 250
240 ... 270
270 ...300

~
fJ
б
а
Рис. 3.6 . Конструкция шнека для полиэтилена
Для лучшей гомогенизации и фильтрации массы между шнеком и
шейкой головки устанавливаются сетки 7. Цифрами 8, 9, 10 на
схеме обозначены соответственно корпус экструдера, блок упор­
ных подшипников и система привода.
В современных экструдерах, предназначенных для переработ-
1ш изоляционных материалов дополнительные обогревы став ятся
на шейку и головку пресса и инструмент (обогрев матрицы). Пе­
рерабатываемый материал обычно используется в виде гранул.
Гранулы загружаются в бункер экструдера и поступают к шне ку .
При вращении шнека материал поступает в головку пресса. Плав ­
Jiение и пластификация материала происходят при продвижени и
его вдоль шнека. При этом объем материала уменьшается . Поэто ­
му глубина каналов в шнеке также уменьшается по мере продви ­
жения материала от хвостовой части к концу шнека .
Конструкция шнека для полиэтилена приведена на рис . 3.6 .
Как видно из рисунка, шнек имеет три зоны. В зоне питания ( «а»)
идет транспортировка гранул и их прогрев . По длине она состав­
.1яет примерно 2/3 общей длины шнека. В зоне «б» происх од ит
сжатие материала. Уменьшение глубины нарезки в этой зоне обе ­
спечивает требуемую компрессию. Зона «в» (выдавливания) име ­
ет постоянный шаг и глубину нарезки. Для материалов , использу ­
емых в качестве покрытий волоконных световодов, обычно исполь ­
зуются длинные шнеки с огношением диаметра к длине 20 .. . 25 .
Геометрия внутреннего пространства головки экструдера выби р а ­
ется таким образом , чтобы не было мертвых зон, застаивания и
подгорания массы . Схема малогабаритной головки приведена на
рис. 3.7.
Конструкция прессового :инструмента для наложения оболочк и
приведена на рис. 3.8. Инструмент состоит из дорна 1 с отверсти ­
ем для протяжки волокна и матрицы 2, формирующей нар ужную
поверхность оболочки. Масса поступает в конический зазор м ежду
дорном и матрицей. Формирование оболочки происхо,цит в цилин ­
дрической части матрицы.
Агрегат для наложения оболочки состоит из отдающего устро й­
ства, компенсатора, обеспечивающего постоянство натяжения во ­
Jюконного световода при наложении оболочек , экструдера , охлаж­
дающей ванны, датчика контроля диаметра, тягового устройства ,
обеспечивающего постоянство скорости наложения оболочек, и
приемного устройства . Управление агрегатом осуществляется опе­
ратором с пульта управления. Длина охлаждающих ванн для
агрегатов, используемых для наложения оболочек на волоконные
световоды, обычно 25 ... 30 м. Температура воды вдоль длины ван ­
ны регулируется по зонам.
111

5
б
Рис. 3.7 . Схема мало­
габаритной экстру·
зионной головки:
1- корпус; 2- ма­
трнца; 3 - втулка;
4 - дорн; 5 - устрой­
ство для вакуумиро­
вания;
6 - хомут;
7 - электрообогре­
ватель
Теоретические основы процесса экструзии подробно описаны
в [3.8]. Поэтому здесь остановимся только на особенностях процес­
са наложения защитных покрытий на волоконные световоды. Тех­
нологические режимы переработки полимерных материалов, чаще
всего используемых для покрытий волоконных световодов, при­
ведены в табл. 3.2 . Правильно выбранные режимы наложения
полимерных покрытий на волоконный световод обеспечивают прак­
тически полное отсутствие дополнительных потерь при опрессова­
нии. Возникновение дополнительных потерь связано с деформа­
циями волоконных световодов из-за нарушения центричности по­
крытий и в результате релаксационных процессов, практически
1
Рис. 3.8. Конструкция прессового
инструмента
всегда имеющих место при пере­
работке полимеров их расплавов .
Для получения качественных за­
щитных покрытий их разнотол.
щинность не должна превышать
] 0%. Релаксационные процессы и
вызываемые ими линейные усад­
ки покрытий возню,ают из-за за­
висимости изменения удельного
объема полимера при охлажде­
нии от времени и темпа охлаж­
дения.
112

:- ---~
-- 1;,, :
1:q
1;
Рис. 3.9 . Кинетика изменения
удельного объема полимера при
резком понижении температуры:
Т 1 - тем п ература полимера при
t<lo; Т2-то же, при t>to; V1 -
удельный объем при t<to; V2 -
то же, при t-нх,
1,03
1,0Z
1,01
1,00
0,99
0,98
При быстром разогреве или ох ­
лаждении расплава так же, ,как
и при быстром сжатии или раз ­
грузке, изменени,е удельного объ­
ема не будет успевать за изме,не- 0,96
нием температуры или давления
[3.8 -3 .1 О]. Этот процесс иллюст- 0,95300
рируется рис. 3.9, на котором
представлен1 а кине'Гика измене-
380
ff.60 Т, К
НJИЯ удельного объема раоплава Рис. 3.10. Неравновесные кривые
удельного объема по­
при охлаждении (кри-
при резком понижении темпера ­
туры, и рис. 3.10, где приведены
типичные ,неравновесные кривые
изменения удельного объема для
полимеров [3.8] ,на примере по­
листирола.
Из рисунка видно, что чем
меньше скорость охлаждения,
тем ближе значение удельного
объема материала к равновесню-
му значению.
изменения
листирола
вые 1-3) и нагревании (кои­
вые 4-7):
1 и 4 - равновесные состояния:
2 и 5 - при скорости соответст­
венно охлаждения и нагревания
1 °С/с; 3 и 6- при скорости со­
ответственно охлаждения и на­
гревания о, 1 °С/с; 7 - при ско-
рости нагревания 0,01 °С/с
В реальных условиях переработки материалов методом экстру­
зии процесс возникновения внутренних напряжений в покрытии
становится более сложным. Известно {3.8, 3.9], что расплавы по ­
лимеров в условиях переработки ведут себя как вязкоупругие
среды. Степень проявления вязкоупругости зависит как от свойств
полимера, так и от геометрических параметров экструзионной го­
ловки и формующего инструмента . Течение полимера в процессе
переработки происходит в условиях воздействия градиента напря­
жений сдвига, что приводит к выпрямлению молекулярных клуб­
ков и более или менее параллельной укладке макромолекул в рас­
плаве. Чем выше напряжение сдвига, тем более выпрямленную
информацию принимает молекула. Особенно сильно процесс вы­
прямления макромолекул протекает на входе в цилиндрическую
8-1149
113

часть инструмента, однако для расплавов с высокой вязкость ю мо ­
жет иметь ;, начение даже разница в кривизне канала в ка б ель ­
ной поворотной головке.
Одновременно с процессом выпрямления макромолекул под
воздействием напряжений сдвига в расплаве проходят при повы ­
шенной температуре релаксационные процессы, стремящиеся
вновь перевести макромолекулы в свернутое равновесное с о сто ­
яние. Если канал , по которому течет полимер, имеет достаточную
длину , а скорость релаксации в расплаве велика, макромо л е к улы
могут перейти в состояние, достаточно близкое к равновесному .
Однако в реальных условиях переработки полимер в расп~ аве в
процессе экструзии всегда находится в неравновесном состоянии.
При вытекании расплава из инструмента вследствие резкого у ско­
рения релаксационных процессов в свободной полимерной струе
происходит переход макромолекул в свернутое состояние .
При наложении покрытия с вытяжкой струя расплава после
выхода из инструмента подвергается дополнительной деформации .
Возникновение внутренних напряжений в этом случае обусловли­
вается высокоэластичной составляющей деформации расплава.
Чем быстрее проводится охлаждение, тем в более выпрямленном
состоянии фиксируются макромолекулы полимера и тем выше
вн утренние напряжения и последующая усадка после охлаждения
покрытия . Чем меньше скорость охлаждения, тем ниже внутр е н ­
ние напряжения в покрытиях и линейные усадки. Время релакса ­
ции напряжений зависит от структуры полимеров и предыс т ории
и х переработки . Длительная кривая релаксации обычно описы ­
вается суммой экспонент :
N
о(t)=I Eie-11,i .
(3.5)
i=I
Время релаксации , ; может быть различно для каждого эле ме нт а
структуры полимера . Их значения могут лежать в интер в а ле от
нескольких секунд до сотен и более часов .
Рис . 3.11 . Расчетная схема изги ­
бов волоконного световод а при
усадке свободно наложенной обо-
лочки :
а - конструкция волоконного световода (1- оболоч к а; 2- кварцевый с в ето­
вод); 6 - расчетная схема продольного изгиба волоконного световода; в - из­
гиб волоконного световода внутри свободной оболочки после ее усадки
114

Рассмотрим для примера процесс приращения потерь при
усадке покрытия, наложенного на волоконный световод свободно
(рис. 3.11,а). · При усадке оболочки на величину ,a = (l-lp)/l,
где l - первоначальная длина оболочки, а lp - равновесное зна­
чение ее длины, на волоконный световод, находящийся внутри
"
оболочки, действует сжимающая сила F=aEaS a, где Еа - модуль
упругости материала покрытия, Sa - площадь сечения покрытия.
Расчетная схема изгиба волоконного световода длиной l при воз­
действии сжимающего усилия F приведена на рис. 3.11, 6. При
этом волоконный световод можно рассматривать как про дольно
сжатый стержень . Функция первоначального изгиба волоконного
световода при F=O имеет вид [3.11]
ОО
птсz
х1(z)= ~х11sin -l
-
.
11-1
(3.6)
Здесь х11-
некоторая первоначальная амплитуда изгиба, соответ­
ствующая периоду изгиба лп/l, где l - длина световода; n= 1, 2,
3, ... При F>O возникает дополнительный изгиб и дополнительное
поперечное смещение центральной линии от оси z
ОО
птсz
х(z)=~Хрпsin-- .
(3.7)
n=I
l
Моменты сопротивления изгибу будут равны нулю, когда функция
х (z) = О. При х (z) *О осевая нагрузка F создает перерезывающую
силу, пропорциональную кривизне балки, появляющейся в резуль­
тате прогибов Xr (z) и х (z). Тогда уравнение равновесия бал­
ки (2.55) запишется в виде
EJd4x = -
F d2(х+Х1)
dz4
dz2
(3.8)
где 1 - момент инерции кварцевого сердечника волоконного све­
товода; Е - модуль упругости кварца.
Подставляя (3.6) и (3.7) в (3.8) и учитывая ортогональность
членов ряда Фурье, получаем:
n2тc4EJ
тс2п2
--- х
-
-- (х
..Lх)·
F[4
рп-
[2
рп,"'
Окончательно функция изгиба световода при воздействии сжима­
ющей силы Р представляется в виде ряда:
00
х
птсz
х1
тех
х (z) = п~ п2тс2ЕJ/(;[2)-1 sin l
тc2EJJ(Fl2) - 1 sin l +
+
х2
2тсх +
Хз
•
Зтсх
4'rr: 2EJ/(Fl2) - 1 sin l
9тt2EJ/(Fl2) - ·
1sш-l- - +•••
(3.10}
в•
115

Увеличение сжимающей силы F может происходить лишь до
тех пор, пока сжимающее усилие не будет превышать эйлерову
силу, Fкp= ,n2El/l2 , т. е. пока первый знаменатель не обратится
в нуль. При F>Fкp балка теряет устойчивость. Однако в нашем
случае амплитуда изгиба ограничена внутренним радиусом покры­
тия, поэтому как только поверхность световода достигнет поверх­
ности внутреннего покрытия, вновь наступит устойчивое состо­
яние . При дальнейшем увеличении сжимающего усилия снова на­
ступпт фаза потери устойчивости при n=4 и периоде изгиба 11 =
=l/4. В результате волоконный световод будет претер п евать изгиб
_
по синусоиде с постоянной амплитудой, равной внутреннему ра­
диусу оболочки (рис . 3.11,в), и уменьшающимся по мере роста
знвчения F периодом изгиба.
При проведении натурного экс п еримента можно обнаружить,
чrо на самом деле волокно изгибается по сложной траектории и
:кмеет участки, изогнутые и по геликоиде и по синусоиде, в зависи­
мости от случайных факторов, влияющих на процесс изгиба (на­
пример, флуктуации коэффициента т р ения между наружной по­
верхностыо волокна и внутренней поверхностью трубки, случайно­
го распределения дефектов и неровностей на внутрен н ей п оверхно­
сти трубки и т . д.). При изгибе по геликоиде волокно закручива­
ется вдоль своей оси на один оборот на длине шага витка. Поэто ­
му направление витка геликоиды должно меняться по длине во­
локна, при этом синусоидальные составляющие изгиба всегда бу­
дут присутствовать. Для верхней оцешш приращения потерь при
таких изгибах можно считать, что волокно изгибается по сину­
соиде.
Произведем оценку значения допустимой усадки полимерного
покрытия, свободно наложенного на кварцевое волокно . Пусть
внутренний диаметр оболочки равен 2г, lп - период изгиба волок­
на после завершения процесса усадки покрытия; а - величина
усадки покрытия. Длина изогнутого волокна L на участке равно­
весного покрытия длиной l п связана с усадкой соотношением L =
=lп(l+a) (см. рис. 3.11 в) . Уравнение кривой изгиба волокна
x(z) в этом случае имеет вид
2тсz
x(z)=rsin-- .
ln
Длина волокна связана с параметрами 1· и lp следующим образом:
l
-~-----
l
L = JVI +[x'(z)]2dz= J[1 + ( 2тсr ) 2
cos 2 2тсz ] 112dz=
О
О
ln
lп_
2l ~ ~.., "12
/
ь2
=--"-V1+ь2s ..
1+ -- sin2шdш,
те
оJ
1+ь2
(3. 11)
где Ь 2 = 2-лr/lл; ffi = 2nz/ln.
Выражение (3 .11) есть полный эллиптический интеграл второго
рода Е(л/2; •k) , где k2 = b2/(l+b2).
•
116

Минимальный радиу с кривизны при изгибе волокна по син у­
соиде
R = l2/(41t2r)
mln
п
(3.12)
достигается в точках z 1 = l/4; z2 = 5!п/4. Из (3. 11) и (3 .12) находи м
VrТR;;,, )
VI + r/Rmin
а=!:_Е(~ ;
1t
2
(3 .13)
С погрешностью , не превышающей 0,1 %, соотношение (3.13 ) мо ­
жет быть аппроксимировано в выражение
1+'а = (1+2,25у+ 1,453у2 +0,133у3) / (1+ у)2,
(3.14)
где y = r/Rmin = (2л r/lп) 2 • Пренебрегая в {3.14) членом с у3 , полу ­
чаем приближенное выражение, связывающее период изгиба, ег о
амплитуду, минимальный радиус кривизны и коэффициент усадки :
(,а-0,453)1/2+ (2а-О,25)у+ 'а = 0.
(3.15 )
При изгибе по геликоиде радиус кривизны по длине во л окн а
постоянен и определяется выражением
R=[r2 + (lп/2:n:) 2]/r = const.
(3.16)
Длина одного витка геликоиды
L= У(2тrr)2+[~ = lп(1+сх).
(3.17)
Отсюда следует выражение~ связывающее радиус кривизны волок ­
на и коэффициент усадки при а~ 1:
а = (r/R ) /[2(1-' -r/R)].
(3.18 )
Период изгиба l определяется из (3.17) и (3.18) . Дополнительно е
затухание в волоконных световодах при синусоидальны х изгиба х
определяется диффузией мощности направляемых мод з а сч ет свя ­
зи на изгибах [В.1, В.3]. Две направляющие моды с номерами i и j
связываются на синусоидальном изгибе, если период изгиба l
связан с разностью постоянных распространения о~= ~1 -
~j соот­
ношением lп = 2n/ (б~) . Можно показать, что для м ногомо д ового
Dолоконного световода, например со ступенчатым профиле м пока ,­
зателя преломления [3 .14], зна 1iения бр лежат в предела х
2 Vл/(n1ka2)< ()~ < 2-vл;а.
Для стандартного волокна с диаметром сердечника 2 а= 50 мкм со
значением Л = О,01 при n 1 = 1,47 и длине волны 1 мкм получае м
0,033 мм- 1 <бР<5,65 мм - 1 . Это соответствует интервалу значени й
периодз. синусоидального изгиба 30 мм> l> I, 1 мм . Таким обра ­
зом, при периоде изгиба более 30 мм эффект диффузии мощности
не должен приводить к заметному приращению потерь .
Ограничения на радиус изгиба волокна можно получить, ис ­
пользуя процедуру расчета, приведенную в § 3.3, где показано ,
что при безразмерном радиусе кривизны R/a> 1000 не происходи т
заметного приращения потерь в волоконном световоде . Использу я
эти ограничения, получаем оценку допустимого значения усадк и
117

для стандартного размера покрытия с внутренним диаметром
0,7 мм при диаметре волокна в первичном покрытии, например
0,2 мм. Радиус г в этом случае в (3.14), (3.15) и (3.18) должен
быть принят 0,25 мм. Из (3.14) получаем оценку для такой конст­
рукции ,а<О,2 % . В этом случае для синусоиды безразмерный ми­
нимальный радиус изгиба R/a> 1340. Для гликоиды при а<О,2 %
радиус изгиба R/a> 1400. Таким образом, при линейной усадке по­
крытия а<О,2% не следует ожидать заметного увеличения потерь
в волоконном световоде.
Аналогичным образом может быть рассмотрен изгиб волокна
при плотном наложении покрытий на волокно (см. § 2.2) : Допу­
стимая усадка после наложения покрытия имеет значение такого
:же порядка, как и для свободно наложенных покрытий (трубок).
Таким образом, особенности технологического процесса нало­
жения покрытия на волоконные световоды методом экструзии свя­
заны, прежде всего, с жесткими требованиями по величине допу­
стимых линейных усадок.
Теперь перейдем к оценке максимально допустимой толщины
покрытия волоконных световодов.
Коэффициент линейного расширения а кварцевого стекла име­
ет порядок (0,8 ... 1) • 10-6 0 с- 1 , полимерных материалов
_
(0,6 ... 1,2) • 10- 40 с- 1 . Поэтому при нагреве волоконного световода
возникают растягивающие усилия, которые могут привести к раз­
рушению кварцевого сердечника. Это обстоятельство накладывает
естественные ограничения на толщину защитных покрытий. Пусть
Тр - максимальная рабочая температура эксплуатации волоконно­
го световода, Т0 - некоторая . начальная температура длительного
хранения, соответствующая равновесному состоянию материала
покрытия, Рк-гарантируемая прочность световода (см.§ 3.1);
2с - наружный диаметр волоконного световода по первичному
покрытию; 2Ь - наружный диаметр защитного-упрочняющего
покрытия, накладываемого методом экструзии. Тогда допустимое
значение диаметра покрытия определяется соотношением
Ь= (Рк/паЕ(Тр-Т0) + с2) 112.
(3.19)
В (3.19) произведение А (Т) = Еа зависит от температуры.
том этой зависимости
ь=(Р.(Т,-Т,)1н:A(T)dT) +с'{
С уче-
(3.20)
В 1<ачестве примера для расчета на рис. 3.12 приведены кривые
зависимости А от температуры для полиамида и фторопласта-4МБ.
Эти зависимости удовлетворительно аппроксимируются в интер­
вале температур 20 ... 85°С для полиамида соотношением Ап =
=1,56-0,01 Т-7,02-1О - 5 Т2+4,5-1О -7 ТЗ, для фторопласта-4МБ в
интервале температур 20 ... 200°С АФ = 0,5-5- 1о-з Т + 2, 1·10- 5 Т2-
-2,2- 1О-8 Т3. Подставляя Ап и АФ в (3.20), получаем для волокна
~ размером кварцевого сердечника 50/125 при Рк = 5Н значении
наружного диаметра для покрытия из полиамида (при То=20°С
118

O,' t-
•
~to,J ,.,1,5
~~
..
..
·~
~
~о, ii! 1
.,
~
0,1 0,5
оо
20
4{] бО 80 700 1ZO 1't-O 160 780 Т,0С
Рис. 3.12 . Зависимость А от температуры для полиамида
(кривая J) и фторопласта-4МБ (кривая 2)
и Тр=85°С) 2r=2,0 мм, для фторопласта-4МБ (при Т0 =20°С и
7'р=200°С) 2r=2,2 мм. С учетом необходимого двух-, трехкратного
запаса по прочности допустимый наружный диаметр для волокон­
ных световодов этого типа должен быть в пределах 0,7 ... 1,0 мм.
3.3 . СКРУТКА ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ
Качественные характеристики многоволоконных световодных
кабелей в большой мере зависят от построения технологического
процесса формирования кабельного сердечника. Основной опера­
цией формирования кабельного сердечника является скрутка во­
локонных световодов, которая производится для создания гео­
метрической устойчивости кабеля в процессах производства и экс­
плуатации. При этом обеспечивается целостность волоконных све­
товодов при крутых изгибах кабеля и необходимая гибкость.
Устойчивость скрутки характеризуется отнош€нием шага скрут­
ки 'YJ к диаметру скрутки d (параметр 'Y]/d). Этот параметр для
многожильных электрических кабелей обычно выбирается в интер­
вале значений 11/d= 12 ... 30.
Для оптических кабелей параметры скрутки должны быть вы­
браны таким образом, чтобы дополнительные потери в световодах
были бы, по крайней мере, на порядок ниже уровня потерь в ис­
ходном волокне . В то же время шаг скрутки должен быть доста­
точно мал, чтобы обеспечить геометрическую устойчивость при
производстве и в процессе эксплуатации кабеля. В настоящее вре­
мя в промышленных типах волоконных световодов достигнут уро­
вень потерь менее 0,5 дБ/км для длины волны 1,3 мкм и менее
2 дБ/км для длины волны 0,85 мкм. Поэтому оптимизация пара­
метров скрутки и выбор разумного компромисса между уровнем
дополнительных потерь и максимальной геометрической устойчи­
востью кабеля имеют важное значение при проектировании свето­
водных кабелей.
119

При скрутке в кабель в олоконный световод изгибается по ге­
ликоиде с постоян н ым радиусом кривизны (3.16). Рассмотрим ме­
тоды расчета дополнительных потерь в кабеле или скрутке . Воз­
никающие в данном случае дополнительные потери объясняются
тем обстоятельством [В.1, В.3], что на некотором критическом рас­
стоянии от центра кривизны скорость фазового фронта распростра­
няющейся моды становится равной скорости света в среде, окру­
жающей световод. Поскольку электромагнитная волна не может
распространяться со скоростью, превышающей это значение, то
часть энергии направляемой моды излучается в пространство.
Наиболее полно задача . о потерях направляемых мод в воло­
конных световодах, изгибаемых с постоянным радиусом кривизны,
рассмотрена Д. Маркузе lB.l, 3.12, 3.13] и Д. Глоге [3.14]. В осно­
ву решения этой задачи положен тезис о том, что для некрутых из­
гибов распределение поля и фазовая скорость электромагнитных
волн в сердечнике изогнутого световода почти такие же, как для
прямого волокна. Постоянная распространения моды в изогнутом
волокне ,~ связана с постоянной распространения соответствующей
R
моды ,~0 в прямом волокне соотношением ~ = ~о R + а , где R -
радиус изгиба волокна, а - радиус сердечника.
При дальнейшем анализе качества исходного соотношения ис­
пользуем выражение для потерь направляемой моды с постоянной
распространения ~ и азимутальным числом v [3.13]:
2o:i --
v;х~ ехр [- ~ (11/~i) Rl
изr
где ,~ i- продольная постоянная распространения моды
ром i; а- радиус сердечника; R -радиус изгиба волокна;
функция Кельвина;
li= i/~
- ~ -----,-
(=-~rc
-
n~2)~\
(2rc)~
{2 при v=O,
V=а Т Уni- п~;Со= 1при v=1=- О;
(3.21)
с наме-
к. (х)-
'А - длина волны; п 1 , п2 - показатели преломления сердечника и
оболочки соответственно. Это соотношение справедливо для мод ,
далеких от отесечки, и получено в приближении слабонаправля­
ющего волокна (Л~ 1).
Мощность, переносимая модой,
Р;ых= Р;хехр(- et.~
3)},
(3.22)
где 1- длина волоконного световода. Суммарное дополнительное
затухание всего потока мод на длине l вычисляется по формуле
В=10 lg (fР~х/1р~ых)•
(3.23)
i-I
1-l
120

Для расчета В по формуле (3.21) постоянные распростране­
ния В 1 определяются при решении характеристического уравне­
ния (В.9), в котором принимают х=х, ~=у. Тогда
1,+1 (ха)
Kv+I (1а)
ха----= - 1 а ----
], (ха)
К,(1а)
(3.24},
~1t n1] .
А
гдеv=О, ..., т на
отрезке
Эта процедура связана со значитеJ1ьными затратами машинно­
го времени и ростом погрешности вычислений с увеличением ради ­
уса сердечника. Она может быть упрощена с помощью прибли-·
жений модово-лучевого анализа .
Для наших целей имеет смысл рассматривать изгибы с относи­
тельно большим радиусом кривизны, т. е. малым уровнем допол-·
нительных потерь при изгибах . Поэтому рассмотрим область вда-·
ли от отсечки, где у 1 а:::;!>1 и свяжем постоянные распространения
~з, xl' 11 с углом распространения светового луча 01•
Для больших значений аргумента функция Кельвина К, ( 11а),
аппроксимируется соотношением
.
-
•-, а
К, (11а) ::::::;- V rc/(211a) е t .
(3.25),
Постоянные распространения и параметр V могут быть выра­
:жены через параметры световода и угол распространения 01 сле­
дующим образом:
~
1 ::::::;-n 1 ::::::;-n 1k 0 Vl -bf, x-::::::n 1k 0 61 ;
а
11 ::::::;- n1k0V6~ -_Ь7, V = -л-21tn100;
1:/~i:::::: n 1 ko (0~ -
0;)312, k0 = 2rсл,
6 0 =Vп~-пуп 11 O<01 <Vn~- n;/n1 •
(3.26),
Область значений 0 1 определяется из области значений
Подставляя данные соотношения в формулу (3.21), получаем:
67/0~ ехр 1(41tn1000112/л) (а - R0ool3)]
(J.i =
a1t (2Rn10o/л)l/2ol/4
(3.27)·
где о= 1 - е;/6~.
Вычисление дополнительного затухания за счет кривизны по •
формуле (3.27) не требует решения характеристического уравне­
ния и может быть легко осуществлено, если предположить, что ·
для исследуемых волоконных световодов Bz распределены равно­
мерно на отрезке n2ko ... n 1ko. Интервал возможных углов от О до.,
0о может быть разбит на N интервалов, причем N = V2/8 [3.3], что,
соответствует с большой степенью точности числу LР - мод, распро­
страняющихся в световоде с заданными параметрами,
121

Рассмотрим поведение функции а1 = f (0;/0 0 , R) ехр [ер (01/0 0 , R)]
в зависимости от знака показателя экспоненты ,ср (8 1 /8 0 , R) при
фиксированном 8j = const. Для данного 0j найдем такой радиус
кривизны R = Ro, при котором ,cp(8j/8o, Ro) = 0. Тогда п ри R<Ra
<p(8j/8o, Ro)>0 и значение а; резко возрастает. Эта область ха­
рактеризуется высоким коэффициентом затухания мод, рас п ро­
страняющихся под углами 01 > 0j, незначителен и быстро умень­
шается с увеличением R.
Из условия cp(8j/8o, R) = 0 получаем
Вт/0~ = 1 -- 3a/(R0 87).
(3.28)
При сделанных допущениях радиус кривизны Ro можно ·назвать
критическим для направляемых мод, распространяющихся под уг­
лом 0;-
На рис. 3.13 приведены графики зависимости коэффициента
затухания а 1 от радиуса кривизны R для групп мод, распростра­
няющихся под углами 0; = с0~, где с = О,01 ... 0,99.
Заметим, что число мод Nj, распространяющихся в телесном
угле 8j, определяется соотношением
Nj=2 (0jп1 ';С~ J·
Тогда потери направляемых мод, дБ, на длине установившегося
режима !уст (для верхней оценки можно принять !уст = 1 I<M), опре­
деляются соотношением
В=- 4,34In( ~f)=-4,34ln(1- :0:0 ) • (3.29)
При R!a>1000 и NA=0,15 ... 0,30 это выражение для малых
значений дополнительных потерь (В< 1 дБ) можно аппроксими­
ровать:
13а
В=--- -
700
сО
10
о
!?05 JO f?oz
122
6,5а
~--
-
(3.30)
Рис. 3.13. Зависимость
модово r о коэффициента
затvхаиия а; от радиу ­
са кривизны R волоко н­
ного световода с пара -
метрами 2а=50 ыкм;
А=О,2; п 1 =1,47 при
d=0,85

Таким образом, в на- ~,дБ NA oz
шем распоряжении ока- ~;'
зывается, по крайней ме- 70
ре, три соотношения для
расчета потерь в волокон-
ном световоде при изги-
нА-
бе: исходное (3.21); ап-
\[
проксимация (3.27), по-
1,.
__
лученная из (3.21) при 1,0
'~-
-
_-::----....
использовании прибли-
женю1 геометрической оп-
тики, и предельное (3.30),
-----------
полученное путем аппрок­
симации (3.21).
На рис. 3.14 приведе­
ны результаты расчета по
0,7
l
формулам (3.21), (3.27)
и (3.30) дополнительных
потерь при изгибе свето­
вода. Соотношение (3.29)
для больших значений
радиуса кривизны дает
верхнюю оценку уровня
дополнительных потерь.
В этой области оценки по
о
zoo
400
600
800 l!/!l.
Рис. 3.14 . Результаты расчета дополни­
тельных потерь при изгибе волоконного
световода в зависимости от значения
Ria (л=О,85 мкм; а=25 мкм; п 1 =1,467;
NA=0,1; 0,2):
--
по формуле (3.21),
-
-
-
по
форм уле (3.27), -·- по
формуле (3.3()1
(3.29) и (3.30) практически совпадают.
Д. Глог в [3.14] показал, что для световодов со ступенчатым и
градиентным (параболическим) профилями показателя преломле­
.ния дополнительные потери будут одинаковыми, если разность
показателей преломления Л в градиентном волокне в 2 раза боль­
ше, чем в ступенчатом.
Аналогичный результат можно получить, если в соотношении
(3.30) вместо Л ввести эффективную разность показателя пре­
.тюмления ЛэФФ:
1а
л•ФФ=--\'[п2 (г)-п~]гd,-.
2пI а
(3.31)
Для световода со степенным законом распределения показате­
.ля преломления п(г) =n 1 [1--2Л(г/а)g]1/2 получим из (3.31)
л
лэфф=-----
1+2/g
Для ступенчатого световода (g-+-oo) IЛэФФ = Л, для градиентно­
го с параболическим профилем (g=2) :ЛэФФ =Л/ 2. Соотноше­
tше (3.30) для такого градиентного световода принимает вид:
6,5
26ап;
В=--- - --
(3.32)
RоЛэФФ - R0NA2 •
123

Приведенный выше теоретический расчет уровня дополнитель­
ных потерь произведен для световода длиной 1 км. Для сравнения
расчетных данных с экспериментальными часто используется ли­
нейная зависимость дополнительных потерь от дли н ы изогнутого
участка . Результаты экспериментальной оценки выражаются
в дБ/км .При таком подходе не учитывается нелинейный харак­
тер зависимости дополнительных потерь от длины, что приводит к
расхождению экспериментальных данных и расчетов . Действи•
тельно, для случая, например, равномерного распределения энер­
ги между модами в световоде имеем, дБ:
;изг=8,69(1nN- lпie- "i1)•
111 1
.
(3.33)
Из (3 .33) следует, что в общем случае соотношение (3.23)
представляет собой нелинейную функцию от длины и приближает­
ся к линейной зависимости только тогда, когда величина а; l до­
статочно мала и справедливо разложение e - "i 1;:::::: 1 - (J.J .
На рис. 3.15 приведены графики зависимости дополнительных
потерь, рассчитанных по (3.21) и (3.27), от длины изогнутого
участка при фиксированных значениях R/a.
Анализ кривых показывает, что дополнительные потери при ре­
гулярном изгибе носят существенно нелинейный характер. При
этом для больших радиусов изгиба основная (до 90 %) доля по­
терь приходится на начальный участок изогнутого световода. По­
этому учет нелинейной зависимости потерь от длины изгиба при
постановке эксперимента является совершенно необходимым .
В.дБ
1,0
На рис . 3.16 приведены ре­
зультаты экспериментальной и
теоретической оценок дополни­
тельных потерь в ступенчатом и
градиентном световодах в зави­
0,8
--- --- ----
симо с ти от длины изогнутого уча-
О,б
!r/a=BOO ___ _
0/f-
стка при нормированных значе•
ниях R/a= 400.
Для строительных длин кабе-
ля менее 1 км тео р етическая
оценка приращения потерь при
изгибе световода по геликоиде
везде выше экспериментальной.
Это обстоятельство может быть
о
5
!О
1,м объяснено влиянием мод в обо-
Рис. 3.15. Результаты расчета допол­
нительного затухания в зависимости
от длины изогнутого участка (d =
= 0,85 мкм; а=25 мкм; n1= 1,467;
NA=0,2):
--
по формуле (3.21); - - - по dюn­
муле (3.27)
лачке, взаимодей ствие которых с
на п равляемыми модами сердеч­
ника в рассмотренной нами мо­
дели не учитывалось. Длины ка­
бел е й, получаемых в процессе
произ в одства, обычно порядка
1 км. Суммарное . затухание ВЕ
124

из-за материальных потерь в световоде (амl) и дополнительных
потерь от скрутки В для таких строительных длин кабеля будет
определяться , неравенством
В,:~ амl + В.
(3.34)
В (3.34) член амl не зависит от параметров скрутки световода
в кабель. Значение В может быть определено из предельных со­
отношений (3.30) независимо от длины кабеля.
Из (3.16) и (3.30) получаем приближенные формулы для до­
пускаемой кратности шага rifd при заданном диаметре скрутки
2r = d и предельно допустимом уровне дополнительных потерь В
за счет скрутки на строительной длине кабеля:
( 26ап2 ) 112
Yi/d > те HNA21d --1
(3.35)
для световодов со ступенчатым профилем показателя преломле­
ния и
( 52ап2 ) 112
'fJ/d ::;;;,, те BtvА 2~
-· 1 (3.36)
с градиентным.
На рис. 3.17 приведены рас­
-считанные по формуле (3.36)
номограммы для выбора крат­
ности шага скрутки волокон­
,ных световодов в кабель. Рас­
чет производился при значе­
ниях ЛэФФ, равных 0,01 и 0,05,
и допустимом уровне прира­
щения потерь на строительной
длине кабеля В= 0,05; О, 1 и
·0,5 дБ.
Из (3.35) и (3.36) следует,
что увеличение геометрической
устойчивости скрутки при со­
хранении допустимого уровня
дополнительных потерь может
-быть достигнуто только за счет
увеличения диаметра скрутки.
Например, при ri/d = 40 и до­
пустимом значении В=О,05 дБ
на строительной длине для
стандартного волокна с диа­
метром световодного сердечни­
ка 50 мкм диаметр скрутки
должен быть не менее 4 мм
для градиентного волокна с
числовой апертурой NA = 0,2 и
не менее 16 мм для волокна с
числовой апертурой NA=0,I.
В,дБ;-----------------~
z
0,5
----
,.,_,;,..-------
х----;_х: -х
-----
х
--
х
х
o,1'-;;"-------;;:--------:c~--~,--J
1,0
10
II)
100
l,M
в.
дБ
.~~-'б"--0"- -~-;-~ ...;..--o-----r:r
1 о,/
Рис. 3.16 . Сравнение теоретической
и экспериментальной оценок допол­
нительных потерь в зависимости от
длины
изогнутого
участка при
R/a=400:
а - волоконный световод со ступен­
чатым профилем показателя прелом­
ления, d = 0,85; NA=0,21; б -воло­
конный световод с градиентным про­
филем показателя преломления, d =
125
=0,85; NA=0,21;
расчетная кривая, - - - экспеои­
>1ентальная кривая

d,мм
\
\
\
\
zo
70
\
8
\
б
11-
z ~--j__----+----1-------1----1---~с-----_,,__.\-----\с+---.Ч---+-',-\-------,
\
\\
z
б870
zo
Рис. 3.17 . Номограммы для выбора кратности шага скрутки :
ЛэФФ=О,01; 1,ривые 1, 2, 4-при В=О,05 ; 0,1; 0,5 соответст­
венно; ---ЛэФФ=О,05; кривые 3, 5, 6-при В=О,05; 0,1; 0,5
соответстве нно
3.4 . НАЛОЖЕНИЕ ВНЕШНИХ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИИ
Скрученный кабельный сердечник должен быть защищен на ­
ружной оболочкой, обеспечивающей защиту волоконных светово­
дов от воздействия внешней среды и механических повреждений в
процессе прокладки световодного кабеля и при его эксплуатации.
Если кабель выполняется с броневыми покровами (подводные
кабели связи, кабели для геофизических исследований, для про­
кладки в грунтах и т . д.), оболочки, накладываемые поверх скрут­
ки, должны обеспечивать механическую защиту волоконных свето­
водов при технологических операциях наложения броневых покро ­
вов. Наложение оболочки производится методом экструзии (см .
§ 3.2). В качестве материалов наружных оболочек используются
обычно традиционные кабельные материалы : полиэтилен, поливи ­
нилхлорид, фторопласты и т. д. Выбор материала определяется
эксплуатационными требованиями, предъявляемыми к кабеля м:
(см. гл. 2) . Основными из этих требований являются : нагрево­
стойкость материала, негорючесть (ее.ли такое требование предъ­
является к кабельному тракту линии связи в целом), стойкость к
агрессивным средам, устойчивость кабелей к воздействию низких.
температур . Могут быть и другие требования, вызванные услови ­
ями эксплуатации.
Выбор материала наружной оболочки световодного кабеля, во ­
обще говоря, определяет в некоторой мере материал остальных
элементов конструкции кабеля (упрочняющих элементов, защитно ­
упрочняющих оболочек световодного волокна и т. д.) . Нагрево-
126

Та6лица 3.3
Поливинилхлоридные пласти 1(ат ы
1
Полиэтилен
1
1
Кремний-
Параметр
1
нормальной 1
1
Полиуретан
орrанич е с"
НИЗl<ОЙ 1 ВЫСОКОЙ
.1кие
. на rревостой1<ости
те п л остой!{ИЙ
плотности
плотности
негорючий
резины
Временное сопротивление/
разрыву, МПа
15 ... 25
1
12,5 .. . 22,5
1 12...16 1 22...30 1 12...16 1 20...22
1 5,5 ... 7,0
Модуль упругости, МПа,
п ри 200°С
1
15...20 1
15 ... 20
1
150
1
700
1
150 1 100...150 1 15...30
Коэффициент линейно-
-
ro
температурного !
1-. :>
1
1
1
1
1
1
-..:J
расширения, l/°C
1- 10-4
1-10- 4
1-10-1
1-10- 1
1- 10-4
1· 10-4
1-10- 4
Длительная наrревостой-
кость, 0С
70
105
85
100
85
До 80
200
Холодоустойчивость
-40
-40
-60
-60
-60
-30 ...-50
-60
Влагостойкость
х
х
о
о
о
х
х
Горючесть
нг
нг
г
г
нг
г
г
Прил,е•tание. О - отличн ая, Х- хорошая , НГ - негорючи й, Г
-
горючи!!.

стойкость элементов кабеля и конструкция сердечника в целом
должны выбираться с учетом кратковременных тепловых воздейст­
,вий во время прохождения сердечника через экструзионную го­
ловку при наложении оболочки .
В табл . 3.3 приведены основные характеристики полимерных
материалов, используемых для оболочек кабелей. Элементы чер­
•вячного агрегата описаны выше. Рекомендуемые соотношения для
размеров экструдеров и внутреннего диаметра оболочки приведе­
ны в табл. 3.4.
Таблиц а 3.4
Внутренний
До 1,5
1...4
2...6
3...8
7...13
диаметр обо-
лачки, мм
Диаметр шне-1 25 ... 32
ка, мм
45
63
90
120
Для сшиваемых материалов, например кремнийорганических
резин, используются экструзионные агрегаты, отличные от агрега­
тов, применяемых для переработки термопластмасс. В частности,
эти материалы перерабатываются на экструзионных машинах с
укороченным шнеком и дополнительными печами для вулканиза­
ции оболочек на проход. Процессы вулканизации и экструзии
сбычно совмещаются. Соотношения между длиной шнека l и его
диаметром для различных материалов следующие: полиэтилены,
фторопласты, полиуретаны l = (20 ... 25) d, кремнийорганические ре­
зины l = (10 ... 15)d.
Рассмотрим процесс возникновения напряжений в сердечнике
кабеля при плотном наложении наружных оболочек методом экст­
рузии . Температура сердечника после выхода из экструзионной
головки всегда ниже температуры оболочки. При охлаждении
кабеля в ваннах экструзионного агре г ата оболочка претерпевает
температурную усадку. При этом в сердечнике возникают окруж­
ные сжимя.ющие напряжения cre, cr,, а в оболочке растягивающие
усилия cre об, " , об·
Для качественного анализа процесса возникновения напряже­
ний в сердечнике при охлаждении оболочки рассмотрим задачу о
горячей посадке упругой трубки на абсолютно жесткий стержень
[3.16]. Пусть внутренний диаметр трубки после охлаждения на ве­
личину 28 меньше диаметра стержня. Трубка с толщиной стенки У]
нагрета и посажена на стержень (рис. 3.18) диаметром 2R. Де­
формация трубки в окружном направлении определяется соотно­
шением
(3.37)
128

z
Рис. 3.18. К рас'-jету на­
пряжений в сердечнике
кабеля при плотном об-
:r;
'"""1:==================,
жатии оболочкой:
а - расчетная
схема
(1- трубки; 2 - стер -
жень); 6 - распределе­
ние
аксиального уси­
лия N по длине стерж ­
ня;
в - распределение
радиального давления Р
по дли н е стержня
Zn'Etzo'
1-μ
Etzo'
а)
б)
RZ(r-μ)..L..JLUJ-LJ.Ш.J..LJ.1.u..u.u.u..u..u.u.u..W-1.1.J.J.J..o.u.1..1........._,............ 8)
где Е-
· мод уль
упругости материала трубки; cr1 - окружное на ­
пряжение в трубке; μ - коэффициент Пуассона; ах- осевое на­
пряжение в трубке.
Если Р - контактное давление на границе «стержень - труб­
ка», N - осевая сила, возникающая в трубке, то:
•CJt = PR/ri;
ах =N/(2лRh). Осевая сжимающая сила N связана с коэффициен­
том трения f и контактным давлением Р на отрезке (0-Х) инте­
гралом
х
N= JJP21r:dx.
о
Тогда
о1(
х)
- =- PR-1-1/ j'Pdx .
R
EYJ
0
Дифференцируя (3.39) по х, получаем
откуда
dP_
__xL Р=О
dx
R
'
μfх
р=PoeR '
(3 .38)
(3.39)
(3.40)
(3.41)
где
Из
Е71
Р0 = -- о-контактное давление на конце трубки при х=О.
R2
(3.38) и (3.41) получаем выражение для осевой силы N :
21r:E-r1o ( ..!:L х )
N= ---
еR --1
.
1-1
После охлаждения нагретой
окружному, т. е. Et = Ez = o/R.
о
sx=~
9-1149
129
(3.42)
равно
(3.43)

Проскальзывание трубки вдоль стержня прекратится при некото ­
ром удалении от ее конца на расстоянии х = хо, где вх =б/R . Пр ш
этом условии из (3.43) получаем соотношение
R
1
Х0= --ln ---
(3.44),
f' -f
1- [!,
При х>хо sx = s, =6/R=const. Тогда
N= 21tE"fjo . Р= E'fjo
1
1 -f!-
'
R21-р,
(3.45 ►
На рис . 3.18 показано распределение контактного ради э,ль ного,
напряжения вдоль стержня с учетом концевого эффекта и а кси­
ального сжимающего усилия.
Из рассмотренной физической модели возникновения уси л ий &
кабеле после наложения оболочки на его сердечник в рез ультате·
процессов усадки следует, что усилие вырыва в месте заделк и обо­
лочки в разъем уменьшается с увеличением коэффициента тре­
ния f и уменьшением толщины оболочки 'YJ и изменяется по длине·
на участке х = О--а---х0 по экспоненциальному закону :
2тr:E-rio (' 1
μ,/х ,
N0=- -- ----е!["") при х<х0•
fJ,
1-f! ,
при х<ха .
Это обстоятельство необходимо учитывать при конструировани и
разъемов для световодных кабелей. Радиальное контактное уси ­
.пие, воздействующее на сердечник, обратно пропорционально ква ­
драту радиуса сердечника и прямо пропорционально величине на ­
тяга 26 и толщине оболочrш 'У\· Величина натяга, как было пока­
зано выше, определяется неравновесной составляющей уса дки arr:
в оболочке кабеля при ее охлаждении в ваннах эr<струзионного
агрегата, связанной с релаксационными процессами и равновесной
составляющей , зависящей от коэффициента линейного расшире­
ния ат материала оболочки и перепада температур при ее охлаж ­
дении. Величина натяга может быть определена из соотношения
1rP
2о ;с:::: апR + --- Г ат (Т) RciT,
(3.46}
Т-Т0.)
Р
r,
где Тр-температура расплава; Т0 =20°С: R-внутренний радиус
оболочки .
Неравновесная составляющая усадки IXn зависит от технологи­
ческих режимов опрессования и конструкции экструзионной го ­
.rу:овки, прессового инструмента и режима охлаждения и может
быть уменьшена путем оптимизации технологии. Равновесная со ­
ставляющая усадки (интеграл в (3.46)) не зависит от технологии
опрессования и не может быть исключена технологическими при­
емами. Поэтому наиболее радикальным способом исключения воз­
действия радиального усилия на волоконные световоды является
либо наложение покрытия с зазором Л>2б, либо укладка волокон ­
ных световодов в пазы сердечника. При этом исклю11ается контакт
130

..
поверхности волоконного световода с внутренней поверхностью
оболочки в процессе ее наложения. Стабилизация геометрических
размеров (длины) оболочки в специальном напряжении может
быть произведена, например, путем введения в ее конструкцию в
продольном направлении жестких упрочняющих элементов .
Кабели, в которых реализованы описанные принципы констру ~
ирования, приведены на рис. 2.29. Проведенный в настоящем раз ­
деле анализ особенностей технологии изготовления оптических
кабелей носит в значительной мере качественный характер, осо ­
бенно в части, касающейся термомеханических напряжений и де ~
формаций волоконных световодов при наложении полимерных обо­
лочек. Однако в большинстве случаев такой анализ оказывается
достаточным для выработки практических рекомендаций по исклюs
чению приращения потерь в волоконных световодах в процессе
изготовления кабелей.
Гл а в а 4. УСТОЙЧИВОСТЬ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕI/f
К ВНЕШНИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ
4.1. ВЛИЯНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕйСТВИй
НА ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ
В гл. 2 анализировались факторы , воздействующие на оптиче ­
ский кабель при его эксплуатации и прокладке. Было исследовано
влияние их на передаточные характеристики световодов . В дан ­
ном параграфе предпринимается попытка рассмотреть влияние
механических нагрузок, температуры и влажности на надежность
оптического кабеля, в частности, на вероятность безотказной ра 0
боты и время функционирования до разрушения .
При исследовании надежности оптического кабеля можно вы ­
делить две ее модели: макропараметрическую , которая основы s
вается на исследовании изменения макропараметров кабеля , и ми ~
кропараметрическую, которая основывается на исследова н ии
структурных изменений в волокнах и полимерных элементах кабе -
ля в процессе эксплуатации .
Макропараметрическая модель базируется на традиц и ОНf!Ь~ ~
и хорошо освоенных методах исследований . Однако ее использо ­
Rание возможно в тех случаях , когда анализ от к азов показывае т,
что в основном они происходят из-за отклонения значений одногg
или нескольких параметров кабеля от установленной нор 11,,1:ь1 ;­
В случае отказов из-за обрыва волокон или растрескивания обо~
лачки кабеля (т. е . при «непараметрическом» х арактере отказов )
использование макропараметрической модели невоз м ожно .
Микропараметрические модели, несмотря на их сложность и
трудоемкость, обладают несомненными преимуществами . · Во-пер ·­
вых, исследуя изменения микрохарактеристик материалов , м ожно
установить прич и ну и-зменения важных для практики макропара с
метров и, следовательно, предсказать поведение кабелей при раз ~
9*
~1

Jrичных эксплуатационных условиях. Во-вторых, микросвойства
чувствительны к внешним воздействиям даже в течение сравни­
тельно непродолжительного времени, что позволяет с большой точ­
ностью следить за их изменениями .
В в иду того, что надежность световодного кабеля определяется
прежде всего прочностью волокна, рассмотрим механизмы его
разрушения на «микроуровне» и их связь с макропараметрами .
Прочность стекла определяется величиной и числом связей
между атомами, приходящимися на 1 см материала . Теоретиче­
скую прочность сцепления cr~ можно выразить соотношением
а}= 2уЕ /8а,
где у- пов е рхностная энергия стекла; Е - модуль Юнга; а­
межатомное расстояние, или длина связи.
Для кварцевого стекла длина связи примерно равна 0,16 мкм,
а теоретическая прочность сrт = 18 ООО МПа. Это довольно высокое
значение прочности . Для сравнения укажем , что прочность стали
составляет 1500 ... 3000 .i\1Па. Однако практически измеренные зна­
чения прочности стекол существенно меньше теоретических. Объ­
я сняется это наличием дефектов в стекле. Теория этого вопроса
исх одит из того, что дефект возникает как прямой результат воз­
действия механического напряжения [4. l] . В любой момент вре­
мени определенная часть SiO связей разорвана вследствие стати­
стического разброса энергии колебаний. При этом нормальные
связи , находящиеся в непосредственной близости от разрушенной
с вязи , мгновенно испытывают перегрузку, это увеличивает веро­
ятность их разрыва. Если одновременно в состоянии разрыва на­
ходится критическое число соседних связей, разрушение будет рас­
пространяться . Рассматривая дефекты как узкие трещины с малы­
ми радиусами кривизны на концах, можно по теории упругости
рассчитать напряжения, концентрируемые на этих концах. Для
прямой трещины эллиптического сечения длиной С и полушири­
ной а напряжение cr на конце в направлении приложенного напря­
жения crs (вдоль малой оси эллипса) равно
а=as(l+2С/а).
При радиусе кривизны на конце трещины ,р=а2/С и в предпо- -
ложении, что C:J;>a, получаем
а= 2::is V С/р.
(4.1)
Для характеристики концентрации напряжения на конце трещины
Гриффит использует фактор интенсивности напряжения
!<.. = ,; ,syc112,
(4.2)
где У - величина, зависящая от профиля трещины (для эллипти­
ческой трещины У = ·:rr 111) . Для критического значения напряже-
ния К1кр - Гриффит получил выражение К1кр = V2Elp• где Е­
модуль Юнга данного материала; ур- энергия, необходимая для
образования двух новых поверхностей .
132

Из последних двух равенств получаем величину критической
глубины трещины, приводящей к обрыву, если к образцу прило ­
жено напряжение а s:
Для трещины, имеющей форму эллипса, Скр=2Еур/(ла~ ) .
При воздействии растягивающего напряжения стекло разру­
шается, если концентрация напряжений в доминирующем поверх­
ностном дефекте достигает критического разрушающего значения.
Если приложенное напряжение ниже критического, то в присутст ­
вии влаги стекло с течением времени также разрушается. Трещи­
ны имеют тенденцию увеличиваться таким образом, что рост кон­
центрации напряжений происходит на их концах. Это ведет к рас­
пространению дефекта с постепенно возрастающей скоростью до
тех пор, пока концентрация напряжений не достигнет критического
значения . Данный механизм разрушения называют коррозионным .
Таким образом, волокно, которое уцелело при изготовлении и про­
кладке кабеля, через некоторое время может разрушиться даже
при низких остаточных напряжениях, если имеются поверхностные
трещины.
В теории развития коррозионного процесса, или, иначе , стати ­
ческой усталости, предполагается, что рост трещины является ак­
тивационным процессом, который протекает в результате механ11 -
ческого напряжения. Скорость роста дефектов выражается сле­
дующим уравнением [4.2]:
dd~ =~ А ехр{-
(4 .3)
где ЛЕ - энергия активации; А, N - константы ; k - постоянная
Больцмана ; Т - температура окружающей среды.
Когда зависящая от внешней нагрузки величина N In К 1 м ень­
ше энергии активации, происходит процесс старения. Если же на­
блюдается обратнпе явление, то преобладает статическая уста­
JlОСТь. Существует нижнее пороговое значение фактора интенсив­
ности напряжения, ниже которого роста глу бины трещины не про­
исходит.
Экспериментально установлено, что при любых заданны х зна­
чениях параметров окружающей среды и составах материалов све ­
товода имеется однозначная связь между скоростью рост а трещи ­
ны и величиной К 1 . Поэтому коррозию обычно мод елируют , ис­
пользу~ эмпирическое соотношение между скоростью образов а ния
трещины и интенсивностью приложенного напряжения :
dC-кп
---А 1'
dt
(4.4)
где А -- постоянная для данного материала; п- характеризует
«чувствительность» коррозионного процесса и зависит от материа­
ла и условий окружающей среды .
133

п
1
1
2,5
3
3,5 1000/Т
Ри с . 4.1. Зависимость па­
раметра п от температу­
и влажности:
Так как скорость роста трещин опре­
деляется через п, то важню знать значе­
ние этого параметра в зависимости от
температуры и влажности среды . По ре­
зультатам современных исследований
значение п лежит в пределах 15 ... 50,
а наиболее вероя~ное значение находит­
ся в диапазоне 20 ... 25. В условиях вы­
со~юй температуры величина п умень­
шается. Последнее объясняется тем, что
коррозия возникает, когда под д,ействи-
ем воды разрываются молекулярные
связи кремния и кислорода, повышение
же температуры и влажности ускоряет
J - МОДИфИЦИРОВ3ННЫЙ СИ· реаКЦИЮ разрыва СВЯЗеЙ.
ликон: н~;; ;~~а~н;поксид-
Существует много методов измерения
п, однако разброс результатов достаточ­
но велик, поскольку п зависит также от свойств материала пер­
вичной оболочки, состояния покрытия и т. д. На рис. 4.1 показана
зависимость п от температуры и влажности для световода, у ко­
торого в. первичном покрытии использован модифицированный
силикон или материал EVA (этилен - винил - ацетат) и эпоксид­
ный компаунд [4.3]. Как видно из рисунка, з,начение п резко ум·ень­
шается в условиях большой влажности для световода с покрытием
из эпоксидного компаунда; для световода с покрытием из моди­
фицированного силикона значение п при высокой влажности
(кружки на рис. 4.1) почти не изменяе·гся по сравнению с сухой
атмосферой.
Зная скорость развития трещин, можно, воспользовавшись
выражениями (4.3) и (4.4), определить время t роста трещины от
начального размера С до критического размера Скр, Используем
д.т1я этого более простое эмпирическое выражение (4.4). Подста­
вив в (4.4) формулу (4.1) и проинтегрировав, получим
t-
2
( Vr )п (С\2-п)/2 - С(2-п)/2).
-
А(п- 2) 2аs
'
кр
Вычисление t по данной формуле связано с необходимостью
определения р и С, что достаточно сложно. На практике поль ­
зуются формулой для прогнозирования долговечности t после про­
ведения контрольного испытания световода при напряжении О' 5 :
t = Ba~-;;2a;n,
(4.5)
где В - постоянная материала; asa -
инертная прочность матери­
ала, т. е. прочность при отсутствии влаги и низкой температуре,
когда коррозионный процесс не проявляется.
В приведенных выражениях рассматривается лишь одна тре­
щина для предсказания долговечности световода. В действитель­
ности в световоде много быстро возникших и долго существующих
дефектов. Понятно, что прочность световода зависит от размера
134

~амой большой трещины ·и ее поверхности. Более длинные свето­
,:в оды с большей вероятностью имеют большую трещину, чем све­
--товод небольшой длины. Очевидно, в дальнейшем для анализа на =
,дежности световодов необходимо применять статистический метод.
Вероятность безотказной работы волоконного световода за­
данной длины хорошо описывается исходя из распределения Вей­
,булла (3.1) выражением
Р=ехр[- ( ::и )т ~l•
(4.6)
·rде cro и т - константы; L0 - масштабный параметр длины свето­
·вода; L - длина испытуемого световода. Пример распределения
Вейбулла приведен на рис. 3.2 .
•
Из выражений (4.5) и (4.6) получаем с заданной вероят­
ностью Р время жизни до разрушения световода длиной L, . если
•,о н подвергнут растяжению с напряжением а8 :
В[(L
)''т]п-2
t=~ _"оТlnР
•
Рассмотренная модель, учитывающая коррозию поверхности
~текла под действием растягивающего напряжения, позволяет
объяснить разрушение световодов, начинающееся с его поверхно­
-сти. Однако существует и другой механизм разрушения светово­
дов . В [4.4] рассматривается вопрос о том, что многослойные све­
'ТОводы, изготовленные парофазным осаждением, могут разрушать­
·ся изн у три, причем зародыши разрушения расположены в этих
случаях в местах максимальных растягивающих остаточных тер­
моупругих напряжений. Основными физическими причинами воз­
никновения термоупругих напряжений в многослойных структурах
являются несвободные деформации объемов слоев, вызванные раз­
.личием их тепловых и механических параметров, а также дейст­
вием внешнего усилия при вытяжке волоконных световодов. В све-
7Оводах, изготовленных парофазным осаждением, наружная по­
,в ерхность сжата, что исключает возможность коррозионного роста
трещины в отсутствие внешнего растяжения. Такие световоды мо­
гут разрушаться не из-за коррозии их наружной поверхности, а
б лагодаря существованию термофлуктуационного механизма, дей­
,ств ие которого усиливается благодаря остаточным термоупругим
.напряжениям растяжения [4.41.
Время жизни световода до разрушения, определяемого термо­
флуктуационным процессом, можно выразить следующим соотно­
шением:
t1 с::'. ехр ( Q-- И~ кр-?-} ,
,
su1 ,
rде Q, И - постоянные материала; К ~кр
-
критическое значение
фактора интенсивности напряжения, определяемого выражени­
ем (4.2).
135

При этом вероятность безотказной работы световода при раз­
рушающем действии тепловых флуктуаций выражается формулой
р1 = ехр {-}:_ [ ИК1 кр"s ]"''} .
Lo "01(Q-lnt1)
Индекс « 1» относится к термофлуктуационному механизму разру­
шения, который проявляется тем сильнее, чем больше термоупру­
гое растяжение сердечника световода. Поэтому в однородных рас­
тянутых структурах термофлуктуационный механизм не прояв­
ляется и их время жизни определяется скоростью процесса кор­
розии. В волоконных световодах - существенно многос:11ойных
структурах - распределение напряжений по поперечному сечению
неоднородно, поэтому скорость термофлуктуационного процесса
разрушения может оказаться сравнимой со скоростью коррозион­
ного, и световоды будут разрушаться в результате действия обоих
механизмов .
Итак, рассмотрено влияние внешних факторов на характери­
стики надежности световодов. Вполне очевидно, что приведенные
результаты еще не дают ответа о надежности световодного кабеля
в целом. Определение надежности кабеля требует учета конкрет­
ных условий эксплуатации, а также защитных свойств оболочек
и упрочняющих элементов конкретной конструкции кабеля . При
оценке механических напряжений в световодах кабеля, возникаю­
щих из-за различных внешних нагрузок, можно использовать фор­
мулы, приведенные в § 2.1 и 2.2, а влажность, воздействующую на
световоды в составе кабеля, можно определять с помощью фор ­
мул (2 .12) и (2 . 13). Подобная оценка была проведена в [4.3] . Для
обеспечения требуемого срока службы кабеля определялась де­
формация световодов в кабеле при прокладке и эксплуатации. Пол ­
ная деформация световодов из-за всевозможных причин была оцене­
на в О, 17 %. Показано, что для обеспечения 20-летнего срока службы
кабеля следует световоды при отборе испытывать на деформацию
не менее 0,5 %, если кабель содержится под давлением сухим воз­
духом (влага отсутствует), и до 0,9 %, если кабель не содержит­
ся под давлением.
4.2. ВЛИЯНИЕ РАДИАЦИИ НА ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ
Существующее в настоящее время поколение световодов в зна­
чительной степени подвержено влиянию ионизирующего излуче­
ния. 1\1.еханизм этого влияния заключается в том, что радиация
приводит к нарушению имеющихся в основе материала световода
связей и появлению свободных связей, который служат ловушками
для зарядов. Тип и структура связей в материале световода ока ­
зывает существенное влияние на результаты воздействия радиа­
ции. Любые факторы, вызывающие изменение конфигурации и
энергии связей, такие, например, как примеси, микротрещины, де­
формации, влияют на образование ловушек, которые приводят к
появлению энергетических уровней в запрещенной зоне. Благода­
ря этому образуются полосы поглощения и излучения фотонов с
136

меньшей энергией. Появление этих полос проявляется двумя ради ­
ационно-оптическими эффектами - возрастанием оптических по­
терь распространяющегося по световоду сигнала и появлением
люми н есцентного излучения.
Основным эффектом, снижающим радиационную стойкость све­
товодов, является возрастание оптических потерь . Люминесцент­
ное свечение играет менее важную роль в ограничении радиаци­
онной стойкости световодов, так как оно существует короткое вре ­
мя после облучения ( 10-5 с) и при невысоких мощностях дозы об­
лучения интенсивность его значительно падает. Влияние радиации
на другие характеристики световода - апертуру и полосу пропу­
скания - недостаточно изучено, но, по-видимому, оно невели ­
ко [4.5].
На наводимое ионизирующим излучением поглощение влияю т
много факторов. К. ним прежде всего можно отнести характеристи­
ки ионизирующего излучения:
тип и спектр излучения (гамма-излучение, потоки протонов ,
нейтронов и электронон, рентгеновское и ультрафиолетовое излу­
чения);
доза радиации;
мощность дозы .
Из характеристик самого световода, влияющих на наведенные·
в нем потери, можно выделить:
конструктивные параметры (ступенчатое или градиентно е
распределение показателя преломления, геометрические размеры) ;
состав материала сердцевины и отражающей оболочки и мето­
ды их получения (чистый кварц, кварц с микропримесями, водой ,
легирующими добавками);
температура световода, при которой изучаются радиационно ­
оптические свойства .
Важную роль играют также характеристики оптического излу­
чения: мощность излучения; спектральный состав излучения ; фор ­
ма или спектр модулирующего сигнала.
Дальнейшее рассмотрение ограничим используемыми для да л ь ­
ней связи световодами с сердечниками из чистого и легированног о­
кварца. Обратимся к влиянию типа излучения на величину наве -
-
денных потерь. Исследования с различными источниками радиа­
ции показали, что при дозах, не превышающих 106 ... 107 рад , тип
радиации не оказывает существенного влияния на наведенные по ­
тери световода. Например, электроны с энергией I МэВ и мощ -
ностью дозы 104
...
103 рад-с- 1 , протоны с энергией 30 МэВ и мощ-
ностью • дозы 50 ... 400 рад • с- 1 , а также гамма-лучи с мощностью
дозы 0,1 ... 10 рад с- 1 вызывают почти одинаковые наведенные по­
тери при дозах 102 .. • 107 рад . При облучении световодов потоками
нейтронов и соответствующей дозой гамма-квантов спектр наве­
денных потерь оказался одинаковым в диапазоне длин волн
0,4 .. . 1, 1 мкм. Эквивалентность воздействия гамма-излучения и
нейтронов при потоках, меньших 10 14 см- 2 , по - видимому, связано
со значительно большей концентрацией собственных врожденных
137

дефектов стекла, определяющих радиационную стойкость светово­
дов, по сравнению с концентрацией дефектов атомов решетки, со­
.аданных как нейтронами, так и гамма-квантами [4.5]. Поэтому в
,обоих рассматриваемых случаях заметно лишь ионизационное воз­
действие радиации. При потоках, больших 10 4 см -2 , влияние ней­
'Гронов на световоды не сводится только к эквивалентному дейст­
-вию ионизационной дозы гамма-радиации, поскольку нейтроны эф­
фективнее гамма-квантов выбивают атомы из равновесных поло­
женю1. Исследования радиационной стойкости световодов при им­
пульсном облучении электронами показали, что изменение плот­
ности потока электронов практически не влияет на характ~р изме­
-нения наведенных потерь от флюенса электронов, но оказывает
влияние на уровень насыщения наведенных потерь, который на­
·блюдается при флюенсе электронов порядка 1013 ... 10 14 эл./см 2
[4. 1О].
Тип излучения может сказаться на экранирующем действии
защитных покрытий световода и оболочек оптического кабеля.
Так как для нейтронов и гамма-квантов длина свободного пробега
около 10 мм, покрытия и оболочки не в состоянии экранировать
-световод от радиации. Потоки электронов и протонов, имеющие
длину свободного пробега при различных энергиях на один - три
nорядка меньшую, могут быть значительно ослаблены оболочками
кабеля и покрытиями световода.
Поскольку на наводимое радиацией поглощение световодов
влияет несколько факторов, то · для сравнительной оценки относи­
'!'ельной радиационной чувствительности различных световодов к
.ним удобно рассмотреть зависимость наведенных потерь от дозы
при постоянной температуре и мощности дозы. На рис. 4.2 пред­
ставлены кривые зависимости затухания на длине волны 0,82 мкм
-от дозы гамма-излучения при комнатной температуре и значении
мощности дозы (1,6 ... 1,8) -104 рад/мин для градиентных и ступен­
чатых световодов [4.6]. Из рисунка видно, что наведенные потери
-монотонно растут с увеличением дозы для всех типов световодов.
Потери также возрастают при введении присадки фосфора.
Если световод содержит малую концентрацию ОН-групп, то
:в диапазоне 0,6 ... 1,6 мкм зависимость наведенных потерь от дозы
.линейна до 102 рад. Выше этой дозы зависимость становится не­
.,1инейной [4.7]. При большой концентрации ОН-групп кривая на­
веденных потерь монотонно растет до значений дозы порядка
103 рад, затем падает, выходя на плато (рис. 4.3). Для отечест­
,венного световода на основе SiO2- GeO2-SiO2 указанная зависи­
мость существенно различна для разных участков спектра. Наве­
_денные пот.ери на длинах волн менее 1 мкм линейно растут с уве­
.личением дозы до 104 рад, затем постепенно наступает насыщение.
При длинах волн более 1 мкм линейный рост уже при 102 рад
..сменяется зависимостью вида корень квадратный из величины
_дозы [4.7].
Для оценки радиационной стойкости световодов недостаточно
(Использовать зависимость наведенных потерь от дозы, необходимо
138

•
d. ,,
JJ,о/км
3
703
Даэа,рад
d,,
д Б/км
70:I
2
70Z
Доза, рад
Рис. 4.3 . Зависимость наведенных потерь на вол­
не 0,82 мкм от дозы облучения световода с сер­
дечником из чистого кварца и отражающей обо­
лочкой из боросиликатного стекла (кривые 1 и 2
относятся к световодам, изготовле н ным ' ПО · раз-
ной технологии)
Рис . 4.2 . Зависимость затухания ступенчатых и
градиентных световодов на длине волны 0,82 мкм
от дозы гамма - излучения:
1, 2 - ступенчатые, 3, 4 - градиентные; 1, 3 - легиро­
ванные фосфором; 2, 4 - без фосфора
учитывать также мощность дозы, поскольку ее увеличение приво­
дит к возрастанию наведенных потерь, причем тем сильнее, чем
больше доза. В этом отношении радиационно-оптические свойства
отечественных световодов с сердечником, легированным германи­
ем, отличаются от свойств аналогичных зарубежных образцов:
в зарубежных световодах радиационная чувствительность на волне
0,82 мкм в момент увеличения мощности дозы возрастает скачком.
Причиной этого может быть различие в технологии изготовления
световодов, вследствие чего сердечники могут иметь различную
концентрацию неконтролируемых собственных дефектов или при ­
месей [4.5].
СиJ1ьное влияние мощности дозы на величину наведенных по­
-rерь связано с тем, что большинство световодов заметно восста­
навливает свои характеристики уже во время облучения. При об­
лучени световодов короткими импульсами можно проследить за
временнь1м ходом восстановления их характеристик. Величина на­
веденн~1х потерь зависит от времени с момента выключения ради­
ации. Кинетические кривые для различных световодов сильно раз­
личаются. На рис. 4.4 показан спад затухания световода типа
Si02-Ge02-Si02 наведенного импульсным облучением электро­
нами при двух значениях мощности дозы [4.7]. Из рисунка видно,
что для световода с сердечником, легированным германием, время
восстановления характеристик составляет примерно 10- 2 с. Время
исчезновения наведенных потерь увеличивается при понижении
температуры световода. Обнаружено [4 .8], что чем больше темпе~
139

d,,
цБ/км
70
50
zo
10
Рис . 4.4. Спад затухания на волне 0,82 мкм свето­
вода с сердечником, легированным германием, пос­
ле импульсного облучения электронами :
1- при мощности дозы 2 - 108 рад/с; 2- при мощ­
ности ДОЗЫ 1,6. 109 рад/с
vатура отжига, тем дольше существует соответствующая полоса
спектра наведенных потерь при комнатной температуре.
Под температурой отжига понимается температура, при кото­
рой зависимость наведенных потерь от времени при равномерном
нагреве имеет точку перегиба. Время восстановления пропускания
световодов увеличивается также при добавлении фосфора в сер ­
дечник из легированного оксида кремния, при этом наведенные
потери на волнах 0,82 и 1,3 мкм в коротких интервалах времени
после окончания электронного импульса меньше, чем у световода
без фосфора. Поэтому для концентрации фосфора должно сущест­
вовать оптимальное значение, при котором после радиационного
импульса значительно подавляются наведенные потери в корот­
кие отрезки времени и одновременно не слишком сильно увеличи­
ваются начальные потери.
Спектр наведенных потерь можно условно разделить на ста ­
бильные полосы, сохраняющиеся при комнатной температуре дли­
тельное время после окончания облучения и имеющие температуру
отжига более 1000°С, и нестабильные с более низкой температурой
отжига [4.5] . Относительный вклад стабильных и нестабильных
полос может существенно изменяться в зависимости от наличия и
состава легирующих добавок в сердечнике световода, содержания
гидроксильных групп и технологии производства световодов. Наи­
более интенсивными стабильными полосами наведенных потерь в
световодах с сердечниками из чистого кварца являются ультра­
фиолетовые полосы с максимумом в районе длины волны
0,215 мкм, полоса в видимой части спектра с максимумом на дли­
не волны 0,63 мкм и широкая инфракрасная полоса, простираю­
щаяся до длины волны 2 мкм [4.8] . В области длин волн
1,4 . .. 1,5 мкм находится стабильная полоса минимальных наведен­
ных потерь, в формировании которой важную роль играют ИК по­
лосы собственного поглощения кварца. Анализ результатов ста­
бильных спектров наведенных потерь световодов, легированных
Cr, В, Р, Cs, показывает, что при дозах, не превышающих
l 07 •.. 108 рад уровень потерь в диапазоне волн 0,4 .. . 1, 7 мкм выше,
чем у световодов с сердечником из чистого кварца . . Нестабильные
140

•
полосы наведенных потерь в световодах с сердечниками из чисто­
го кварца находятся в области длин волн менее 0,45 мкм и в рай ­
оне длин волн 0,66 мкм. Имеется также бесструктурная часть не ­
стабильного спектра , простирающаяся в инфракрасную область
до 1,9 мкм . В большинстве световодов с легированным сердечни­
ком нестабильные полосы проявляются только в случае импульс ­
ного воздействия радиации в течение менее 1 с при комнатной
температуре.
Нестабильную часть наведенных потерь можно подавлять с по­
мощью подсветки видимым и инфракрасным излучением. Стабиль­
ные же полосы не подавляются подсветкой . Выбором длины волны
излучения просветвляющего источника и его интенсивности эффект
подав л ения может быть оптимизирован для конкретного материа­
ла световода и необходимой спектральной области. Однако в на ­
стоящее время еще окончательно не ясно, следует ли применять
для просветления широкополосный источник света или источник,
излучающий энергию в узкой полосе частот, в которой передается
полезная информация. Ускорение п р оцесса восстановления исход ­
н ого затухания в световоде во время радиационного облучения
мо же т быть достигнуто также с помощью того же источника све-
1 а, который используется для передачи информации {4.9] . На
рис . 4.5 показан эффект, получаемый при фотопросветлении свето ­
вода подобным источником света - полупроводниковым ла з ером
на длине волны 0,85 мкм. Перед просветлением световод типа Т323
(фирма IТТ} облучался источником радиации на 60 Со в течение
20 с, причем общая доза составляла 3700 рад . По горизонтальной
оси отложено время после окончания облучения, по вертикаль­
ной - величина наведенных потерь. Кривые показывают, что уро­
в ень затухания уменьшается с увеличением времени и :мощности
d,,
дБ/км
бО
zt-0
zo
о
о
о
о
10- 1
1,0
10
t,c
Рис. 4.5. Фотопросветление световода и з лучением, ис­
поли у емым в качестве носителя передаваемой инфор ­
мации
141

излучения полупроводникового лазера. Для сравнения кружочка­
ми изображена кривая при отсутствии источников фотопросвет­
ления . Полученные результаты свидетельствуют о том, что д аже
мощности в несколько сотых милливатта достаточно для ускоре ­
ния восстановления первоначального затухания световода.
Представляет интерес сравнение максимально возможной дли ­
ны связи без переприема с учетом просветления и без него.
В табл. 4.1 приведены результаты расчета длины регенерацион­
ного участка для случая, когда световоды подвергаются ионизи­
рующему облучению дозой 3700 рад. Допустимое общее затухание
в оптическом кабеле принималось 30 дБ, и его начальный коэф ­
фициент затухания (до облучения) 5 дБ/км. Еще лучшие резуль­
таты обеспечивает импульсная подсветка, так как в этом случае
можно значительно увеличить мощность подсветки и, следователь-
-
но, уменьшить время фотопросветления (см. табл. 4.1).
Как видно из табл. 4.1 и рис. 4.5, фотопросветление является
одним из эффективных средств повышения радиационной стойко ­
сти световодов .
Т аблица 4.1
Время после
облучения, с
1
10
100
1000
10 ООО
Ма"симальная длина регенерационного
участка, км
.,с фотопросвстление.~*
без просвет лени я* мощностью J,5 мВт
0,35/0,26
0,38/0,35
0,44/0,67
0,67/1,25
1,5/3,0
3,33/0,4
4,62/0,7
5,9/3,55
6,0/4,4
6,0/4,4
• В числителе данные для световода с сеоnечником из чис•
того кварца , в знаменателе - из кварца с добавками.
Таким образом, фотопросветление, термический отжиг, выбо р•
основы стекла и присадок могут являться действенными меропри­
ятиями по повышению радиационной стойкости световодов. Одна­
ко арсенал методов повышения радиационной стойкости этим не
исчерпывается . К перспективным методам следует также отнести:
совершенствование технологии получения стекла, выбор и I<OHT·
роль условий вытяжки, использование эффекта «закалки» предва ­
рительным облучением и экранирование световодов [4 .6] .
142

Гл а в а 5. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЯ
ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ
5.1 . КОНТРОЛЬ И ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ
НА РАЗЛИЧНЫХ ЭТАПАХ ИХ СОЗДАНИЯ И ПОСТРОЕНИЯ
•
линии связи
Оптичес1ше кабели, создание и эксплуатация которых связа ­
ны с различными технологическими процессами и техническими­
решениями, отличаются большим разнообразием конструкций, а­
следовательно, и параметров. Из этих параметров. можно выде-­
лить такие, контроль и измерения которых необходим почти на·
всех этапах создания Jшний связи. Здесь рассмотрим измерения­
и контроль параметров при строительстве и эксплуатации линий
связи .
На этапе строительства первый комплекс измерений проводит -­
ся при входном контроле кабеля. При современном уровне разви­
тия техники световодных систем связи можно считать оправдан-·
ным более широкий, чем для электрических кабелей связи, комп­
лекс измерений при входном 1<0нтроле. По-видимому , целесообраз­
но контролировать не только основные характеристики передачи ,
но и те параметры, которые по каким-либо причинам могут изме ­
ниться к моменту получения потребителем кабеля (например .
из-за отклонения от норм хранения и транспортировки и т . п .}.
а также некоторые параметры, проходящие на заводе-изготовителе
только выборочный или периодический контроль. После предвари­
тельной отбраковки путем внешнего осмотра и простейшего про­
свечивания партия кабеля подвергается контролю и измерению
параметров на соответствие техническим условиям .
Прежде всего при входном контроле измеряется затух ание­
световодов поступившей партии кабеля. Кабели с аномально боль­
шим затуханием испытываются рефлектометром на наличие по ­
вреждений (трещин, изломов). Затем при необходимости изме­
ряется дисперсия или полоса пропускания. Результаты измерени fu
затухания и дисперсии позволяют распределить строительные длц ~
-ны по категориям. Согласно рекомендациям МККТТ [5.1] свето~
воды разделяются по затуханию на категории, указанные в
табл . .5.1.
Разделение многомодовых градиентных световодов на катего­
рии по полосе частот представлено в табл. 5.2 .
В пределах одной категории иногда целесообразно также про ,
ведение группирования строительных длин по апертуре и геомет -­
рическим характеристикам. С этой целью проводится измерещ1е :
указанных характеристик .
При входном контроле партии кабеля, состоящей из строитель ­
ных длин различной категории, возможен также выборочный кон ~ .
траль по отдельным механическим характеристикам . После про ,
кладки кабеля измеряется затухание каждой строительной длины,_
143

Таблица 5.1
Таблиц а 5.2
Длина волны,
l<атегория
Затухание,
Длина волны.1 Категория Полоса,
нм
световода
дБ/км
нм
световода
МГц
850
1
4
850
1
200
2
3,5
2
500
3
3
;3
800
4
1000
1300
I
3
1300
I
200
II
2
11
500
III
1,5
III
800
IV
1,0
IV
1000
V
0,8
V
1200
а при монтаже и после него - в соединениях и на всем смонти­
рованном участке. При эксплуатации кабеля контролируется толь­
ко затухание участка регенерации, а также мощность излучения
на передающем и приемном концах. В случае повреждения ли­
нии определяется расстояние до места возникшего повреждения.
В табл. 5.3 приведен перечень характеристик, измеряемых и
контролируемых на различных этапах создания оптического кабе­
ля, строительства и эксплуатации линии связи .
Приведенный перечень не претендует на полноту. Некоторые
пункты являются довольно спорными и требуют дальнейшего изу­
чения и набора статистических данных. Тем не менее даже такой
общий подход позволяет определить комплекс основных наиболее
важных измерений и испытаний, необходимых при создании и
эксплуатации оптических кабелей.
5.2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАТУХАНИЯ
Определение затухания в любой направляющей системе, как
известно, связано с определением уровня сигнала на ее входе и
выходе. При вводе излучения в световод всегда имеется некото­
рая неопределенность уровня введенной мощности, так как он
зависит от качества обработки входного торца световода, точно­
сти юстировки возбуждающего пучка излучателя относительно
данного торца, соотношения между показателями преломления
сердечника световода и среды, заполняющей пространство между
сердечником и излучателем, стабильности последнего. Разрешение
этой неопределенности - одна из сложных задач, возникающих
при измерении затухания световодов.
Другая не менее сложная задача - обеспечение на входном
конце измеряемого световода распределения мощности между мо­
дами, соответствующего установившемуся состоянию, т. е. равно­
весного распределения мод. Такая необходимость возникает из-за
требования постоянства условий согласования источника со свето-
144

Таблиц а 5.3
Этапы
производства
строитель-
Ха"рактеристики
ства
свето-1 кабеля
линии
вода
связи
Характеристики передачи и оптические характеристики
Мощность излучения
Затухание:
общее
в соединениях
Дисперсия, полоса пропускания
Апертура, диаграмма направленности
Профиль показателя преломления
Диаметр поля моды (одномодовый све-
товод)
_ Критическая дли на волны (одномодовый
световод)
Переходное затухание
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Геометрические характеристики
Длина световода (кабеля) или расстояние
до места повреждения
Диаметр:
сердечника световода
световода
световода с защитным покрытием (мо­
дуля)
кабе ля
Отклонение от номинала диаметра:
сердечника световода
световода
Эксцентри с итет между осями:
сердечника и отражающей оболочки
световода и защитного покрытия
Некруглос ть
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+*
Механические характеристики
Допуст имое растягивающее усилие
Допустимый раднус изгиба
Допуст им ое поперечное сда вливающее уси­
шrе
Допустим о е осесимметричное сжатие (для
под во д ных кабелей)
Допустимое число закручиваний
Устой 1 1ивость к ударам и вибрациям
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-**
-**
+*
+*
+*
l(ли ,иатические и эксплуатаи,ионные характеристики
Стойкосп,:
к повыш'енной положительной
и отрицательной температурам
к воздействию влаги
I< агрессиrтым средам
Радv.ационнан стойкость
Герметичность
* Толь ко при входиом контроле и выборочно.
** Подлежит уточнению.
10-1149
145
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+*
+*
эксплуа-
таuии
линии
связи
+
+
+
+**
+
+

водом и использования световодов на линиях большой протяжен ­
ности, где всегда устанавливается равновесное распределение мод.
Из рассмотрения распространения излучения в слабонаправ­
ляющих световодах известно, что каждая направляемая мода име­
ет отличное от других мод затухание. Наличие неоднородностей,
вызывающих связь между направляемыми модами и модами излу­
чения, приводит к перераспределению мощности между ними. На
расстоянии от места ввода изJiучения в световоде, большем длины
связи .Lc, наступает равновесное состояние. На участке световода,
меньшем длины Lc, затухание не постоянно и изменяется вдоль
световода. Поэтому результаты измерения затухания на у_частках
световодов с неустановившимся распределением мощности между
модами будут зависеть от распредеJiения, имеющегося в каждом
конкретном случае. Например, при вводе в световод излучения от
источника, который возбуждает все направляемые и слабо вы те­
кающие моды, получим завышенные значения затухания. При
возбуждении световода узконаправленным источником, от которо­
го возникают только низшие направляемые моды, получим зани­
женное значение затухания. Для линий связи большой протяжен­
ности необходимо знать то значение коэффициента затухани я, ко­
торое определяется только свойствами самого световода, вне за ви­
симости от внешних условий возбуждения, т. е. установившееся
значение коэффициента затухания при равновесном распре деле нии
мощности мод (см . п. 2.2). Только это значение коэффициент а за­
тухания допустимо нормировать в единицах дБ/км. Длина, при
которой установилось равновесное распределение, для некоторых
световодов может достигать нескольких километров. Понятн о, что
производить измерения на таких длинных световодах не все гда
возможно . Измерения затухания на более коротких отрезках све­
товодов будут давать неоднозначные результаты. Чтобы решить
эту проблему, необходимо на входе световода или его нача ль ном
участке создать равновесное распределение мод.
Различием путей и приемов преодоления указанных тру дно стей
в основном и объясняется разнообразие методов измерения за ту ­
хания, существующих в настоящее время. Ниже будут рассмо т­
рены некоторые методы измерения затухания световодов, которые
могут применяться на различных стадиях исследования, про из вод ­
ства и эксплуатации световодных кабелей. Из рассмотрения исклю­
чены методы, которые пригодны в основном для измерения зату­
хания непокрытых световодов или штабиков, а также дифферен­
циаJiьного модового затухания.
Наиболее простым является метод вносимых потерь, называе ­
мый иногда прямым или методом двух точек. Он заключается в
измерении мощности на выходе источника, а затем мощности из­
J1учения на выходном конце световода, предварительно возбуж­
денного источником излучения . По результатам измерений вычис ­
ляется затухание.
Данный метод благодаря своей простоте используется для опе­
ративной оценки затухания на производстве и~ полевых ус~о -
146

ниях . Понятно, что точность таких измерений невысока и резуль ­
тат представляет собой сумму затухания световода и потерь на
ввод излучени:я.
Для ум·еньшения неопределенности в измерении мощности ,
вводимой в световод, часто в этом методе используется коротки й
•
отрезок такого же световода, подключаемый к источнику вместо
измеряемого. Затухание определяется по соотношению мощностей
на выходах данного отрезка и измеряемого световода. Введение в
схему контрольного отрезка световода превращает ее в схем у ме­
тода замещения . Погрешность измерений в данном случае ниже
и определяется нестабильностью и флуктуациями источника и из­
мерителя мощности, разностью потерь в соединениях контрольно­
го отрезка и измеряемого световода с источником и приемником ,
а также степенью соответствия пространственного распределения
излучения на выходе источника распределению излучения в све ­
товоде~ в равновесном состоянии. Снижение погрешности , вызывае­
мой последней причиной, можно достичь несколькими способа м и :
использованием дополнительного длинного световода , устанав ­
ливаемого между источником и измеряемым световодом ;
установкой смесителя мод;
применением фокусирующей оптики
ющих числовую апертуру и диаметр
пучка;
использованием модовых фильтров .
и диафрагмы, ограничива­
излучаемого источнико м
Дополнительный световод должен быть одного стандарта с
измеряемым и иметь длину, близкую длине связи Lc , чтобы н а
выходном конце его обеспечивалось равновесное распределение
мощности между модами . Такое распределение считается устано ­
вившимся , если диаграммы направленности излучения в да л ьне й
зоне на входе и выходе измеояемого световод а совпадаю т [5 .2].
При измерении высококачест~енных световодов с малой связью
между модами излучения и направляемыми модами требуем ~я
длина дополнительного световода может состав ля ть несколько ки ~
лометров . Если с точки зрения сохранения динам и ческого диапа ­
зона измерительного устройства и его массы применение т аког_о
дополнительного световода нежелательно, то исполь з уется модо ~
вый фильтр . Одним из вариантов фильтра является све товод , на ~
мотанный на цилиндр малого диаметра , эквивалентны й по дейст­
вию световоду длиной Lc. Требуемая длина эквива л ентного свето ­
вода З<),висит от качества исследуемого световода , диаметра ци ­
линдра и натяжения, с которым намотан световод. В (5 .3] дополни ­
тельный световод длиной 1О км был заменен на эквивалентны й
световод длиной 500 м, намотанны й на цилиндр диаметром 75 мм .
Результаты измерений в обоих вариантах имели хорошее совпаде­
ние . Идентичные результаты измерений получены также с допол ­
нительным световодом длиной 1 км и фильтром , представляющим
собой пять витков световода, намотанного на цилиндр диаметром
1,3 см [5.2} .
10*
147

Широкое распространение при измерениях затухания получи­
л и смесители мод. По - видимому , это объясняется тем, что в дан­
ном случае смешение мод осуществляется на самом измеряемом
с ветоводе (его начальном участке) и не требуется замена входных
устройств при измерении различных типов световодов, как это
делается в случае использования дополнительного или эквивалент­
ного световода .
Таким образом , описанными выше способами снижения по­
грешности можно повысить точность измерений методом вносимых
потерь до удовлетворительной для некоторых практических слу­
чаев. Но при этом из - за сложности и трудности мероприятий, сни­
жающих погрешность, может быть потеряно основное преимущест­
во данного метода - простота, точность измерений останется все
же недостаточной для кабелей с малым затуханием (менее
1... 1,5 дБ/км) .
В настоящее время широкое применение находит метод обрыва
(cut b ack), заключающийся в том, что путем обеспечения неизменно­
сти у словий возбуждения в процессе измерений устраняется основ­
ной источник погрешности. Процедура измерений состоит в следу­
ю щем . Сначала измеряется мощность излучения Р2 на выходе воз­
бужденного измеряемого световода длиной L 2. Затем часть свето­
в ода отр езается (но условия ввода излучения при этом не нару­
ш а ют ся ) и производится измерение мощности Р 1 на выходе ко­
роткого отрезка длиной Lr, которая соответствует мощности, вве­
денной в отрезанную часть сnетовода. Затухание вычисляется по
формуле, дБ/км,
На входе измеряемого световода обычно устанавливается
фильтр или смеситель мод. Погрешность измерений данным мето­
дом определяется нестабильностью и флуктуациями источника из­
лучения и измерителя мощности, качеством обработки торцов све­
тово д а , п одключаемых к измерителю мощности, и совершенством
настройки фильтра или смесителя мод . На практике при принятии
соответствующих мер можно получить погрешность , не превыша­
ющую ±0,1 дБ .
Описан н ый метод обеспечивает высокую точность измерений,
но и меет существенный недостаток -- при измерениях требуется
разрушать световод. В силу этого его нельзя применять , если
к абель или световод не может быть укорочен, например, при экс­
плуатации , а также в ряде случаев при строительстве и монтаже
л иний связи.
Метод измерения затухания, описываемый ниже, лишен этого
недостатка и обеспечивает малую погрешность измерений {5.4].
Суть метода заключается в следующем . Известно, что электромаг­
нитное поле, отраженное от плоского нормального к оси световода
выходного торца, сохраняет структуру падающего на торец поля.
Мощно сть отраженного излучения может быть определена, если
148

Рис. 5.1. Схема ·уста­
новки для измерения
затухания
методом
сравнения мощности
излучения вышедшего
и отраженного от вы­
ходного торца свето-
вода
измерить коэффициент отражения торца и мощность излучения из
выходного торца . В этом случае мощность излучения, введенного
в световод в обратном направлении, определена. Таким образом
решается одна и з упомянутых ранее задач, возникающих при из ­
мерении затухания световодов. Измерив мощность излучения, вы­
шедшего из входного торца в обратном направлении, и сопоставив
с первым измерением, получаем затухание световода .
Одна из схем практической реализации данного метода пред­
ставлена на рис. 5.1. Излучение от источника 1 фокусируется с
помощью объектива 2 на торец I исследуемого световода . Отра­
зившись частично от торца II или от установленного вплотную
I< нему полупрозрачного зеркала 6, 11злучение Р2 выходит из тор­
ца !, отражается от установленного под углом к оси световода
полупрозрачного зеркала 3 и попадает на фотоприемник.
Мощность излучения Р2 сравнивается с мощностью излуче­
ния Р 1 , прошедшего через полупрозрачное зеркало 6. Для исклю­
чения возможности искажения ре зультатов измерения за счет от­
раженной от торца I части излучения при вводе в световод торец I
помещен в иммерсионную :жидкость с показателем преломления,
равным показателю преломления сердечника. Жидкость находит­
ся в ячейке, одной из стенок которой является полупрозрачное
зеркало 3. Отражающий слой зеркала обращен к световоду .
Окошко, через которое отраженное от зеркала 3 излучение выхо­
дит на фотоприемник, изготовлено из стекла с показателем пре­
ломления, близким к показателю преломления :жидкости. Внешняя
поверхность окошка просветлена на рабочей длине волны. Рядом
со входным концом световода установлен смеситель мод 4. Регу­
лирование числовой апертуры возбуждающего пучка излучения
при необходимости производится диафрагмой, имеющейся в объ­
ективе 2. Для исключения влияния на результаты измерений не­
стабильности излучения источника и чувствительности фотоприем­
ника пучки излучения мощностью Р 1 и Р2 подаются на фотопри­
емник 9 попеременно. Для снижения влияния нелинейности ха­
рактеристики фотоприемника мощности пучков можно уравнивать
с помощью оптического аттенюатора 7. Попеременное перекрыва -
149

ние пучков обеспечивается прерывателем 8. Полученный с фото­
приемника сигнал контролируется осциллографом 10.
При равенстве мощностей пучков и пренебрежение потерями
в иммеJ5сионной жидкости, зеркале 6 и на выходном окошке
я чейки затухание световода будет определяться выражением
а=10Ig Р1Р2 +ааТ'
l -p4
где .СХа т - затухание аттенюатора, дБ; р 1 , р2 - коэффициенты от ­
ражения зеркал 6 и 3 соответственно. Знаки « + » или «- » в этом
выражении используются в зависимости от того, в каком • пучке
р аботает аттенюатор, что в свою очередь связано с выбор'ом зна ­
ч ений коэффициентов отражения зеркал .
Приборы, работа которых основана на данном методе, могут
и спо ль зоваться и в случае, когда концы кабеля пространственно
разнесены , например, при проложенном на линии связи кабеле.
Для проведения измерения два любых световода, входящих в со ­
став кабеля, соединяются последовательно на выходном конце, об ­
разо ва в «петлю». Входной и выходной концы «петли» могут быть
подк л ючены к прибору [5.5]. Так как в данном случае измеряется
об щее затухание двух последовательно соединенных световодов,
то для определения затухания каждого необходимо попарно со­
единить между собой по меньшей мере три различных световода
и измерить затухание каждой пары, производя тем самым три из­
мерения [5 .6]. Затухание а; каждого световода при этом равно:
а0==(ar+ arr - аш)/2,
аь= (o:r - o:rr+о:ш)/2,
ас=(- ar + a.rr+аш)/2,
где a j- резуJJьтат j - го измерения; j = 1, 11, III.
Уровень развития техники соединений световодов при монтаже
кабеле й в настоящее время позволяет обеспечить затухание в од­
ном соединении порядка О, 1 ... 0,2 дБ . Такая ве ли чина не вносит
большой погрешности в результаты измерения затухания «шлей­
фом». Если же требуются более точные результаты, то при воз­
можности измерения затухания конкретного соединения можно
внести поправ·ки в эти результаты либо увеличить число «шлей­
фовых» соединений с большим числом световодов, уменьшив т ем
самым случайную погрешность.
В последние годы все большее внимание привлекает метод из­
мерения затухания световодов, известный под названием метода
об ратного рассеяния . Он имеет ряд достоинств. Прежде всего -
это неразрушающий метод. Кроме того, при данном м етоде не
требуется знания мощности вводимого в световод излучения при
каждом измерении, что в рассмотренных ранее методах являлось
важным условием измерений . Немаловажным преимуществом ме ­
тода является также возможность проведения измерений с одного
пз концов световода.
150

Метод основан на анализе обратного рэлеевского рассеяния,
вызванного импульсным сигналом . На пути распространения им­
пуль с а по световоду в каждой его точке в различные моменты вре­
мени возникает рассеянное излучение, распространяющееся в об­
ратном направлении . Если в сечении световода на расстоянии z
от его начала мощность сигнала равна Р (z), то на элементарном
участке . ~z мощность рассеянного назад излучения
Рр(z) =Р(z)ар(z)G(z)Лz.
Здесь G (z)- коэффициент, определяющий часть мощности рассе­
янного излучения, распространяющегося в обратном направлении
в апертурном угле; ap(z)- коэффициент рассеяния на рабочей
длине волны световода, учитывающий все виды рассеяния и , стро­
го говоря, неоднородный и по сечению световода .
Величина G (z), называемая фактором обратного рассеяния,
<>пределяется как отношение мощности Рр (z) к полной рассеянной
мощности. Принимая, что рассеяние в каждой_ точке световода
имеет диаграмму направленности, характерную для рэлеевского
рассеяния, для фактора обратного рассеяния световода со степен­
ным профилем показателя преломления (см. (В.7)) можно с уче­
том неоднородности ар (z) по сечению получить выражение [5.7]
(](z)~i_д(z) g(z) [1+
g·(z)д(z)k
.
-],
4
g(z)+I
(3g(z)+2){g(г)+I+g(z)Л(z)k]
где k - коэффициент, зависящий от типа легирующих примесей .
Для многомодового ступенчатого световода G ( z);:::::: ЗЛ (z} /4 .
Для одномодового ступенчатого световода с радиусом сердечни­
к а а и размером «светового пятна» а0 фактор G (z) будет равен
1Б.8] G(z) ::::::::За2 Л(z)/(а6V2 ).
Расчет по приведенным формулам показывает, что при рав­
ны х .Л для многомодовых и одномодовых световодов с V = 1,5 ... 2,4
зна чения G (z) мало отличаются, что говорит о равенстве величин
<>бр а тно рассеянных сигналов при вводе излучения одинаковой
мощн о сти в световоды .
Учитывая, что мощность импульса при его распространении
у меньшается по экспоненциальному закону, находи м мощность
р ас с еяния излучения, приходящего на вход световода :
Рр(О, z) =Р(О)ар(z)О(z) e-[a+(z)+c(z)) zЛz.
З де сь Р (О) - мощность импульса на входе световода; а+ (z) ,
а,- (z)- средние значения коэффициентов затухания световода при
р а сп ространении излучения в прямом и обратном направлениях на
участке от входа до сечения z.
•
Строго говоря, a + (z)=,L=a-(z) благодаря зависимости затуха­
н и я о т распределения мощности по модам. Величины G (z) и ар (z)
-такж е не постоянны вдоль световода . На практике при измере­
нии высококачественных световодов часто для упрощения пола­
та ют , что эти величины не изменяются на измеряемом участке в
<0 б о и х направлениях, если начало участка удалено от входа све-
151

товода на несколько метров . Принимая эти допущения, учтем в
последнем выражении связь между координатой z и полушириной
импульса Лt . Уширение импу .пьса не учитываем, так как при из ­
мерениях обычно испо J1ьзуются импульсы с длительностью , зна ­
чительно превышающей уширение. Тогда имеем:
РР (t) = Р (О) aPGvгpЛf e- 2az,
(5.1 )
где Vгр - групповая скорость распространения , а z и t свя з ан ы
соотношением t = 2z/ vrp = 22 (п1 - л dn 1 ) (см. Введение).
с
dл
Расчет по формуле (5.1) дает значение затухания мощност и
обратного рассеяния порядка 45 ... 50 дБ [5.15]. На основании это­
го результата и состояния современного уровня развития излуча­
телей и фотоприемников прибором, работающим на основе мето­
да обратного рассеяния, можно измерять затухание световодов в:
каждом направлении не более 20 ... 25 дБ.
На рис . 5.2 представлена схема установки для исследовани я;
световодов методом обратного рассеяния . Выходной импуль с ла-
•зера 1, управляемый импульсным генератором 6, фокусируется
оптической системой 2 на торец световода 4 через светоделитель­
ное зеркало 3. Для устранения возможного искажения сигнал а,
фо тодетектора '7 из-за отражений от торца световода во время его,
во з буждения импульсом на фотодетектор от генератора импуль­
сов 6 подается строб-импульс, запирающий его на это время . Сиг­
нал обратного рассеяния отклоняется зеркалом 3 и через линзу 5,
направляется на фотодетектор 7. Электрический сигнал фотоде­
тектора усиливается усилителем 8, подается на осциллограф 9 и
накопитель 10, улучшающий отношение сигнал-шум, а затем на
самописец 11. На самописце или экране осциллографа получает ­
ся временная функция мощности обратного рассеяния, описывае -
Рис. 5.2 . Схема установки для
измерения затухания методом
обратного рассеяния
р
1
1
1
Pz -т---
Р3 -+ ---
Р,,_ -, ---,
1
111
Р5 -+ --- 11,-----
II
111
1
1
111
1
1
111
1
111
1
..._.,___..u....,____.J._______i-__
Z7
Zz Z3Zf-
Z:;
z.:_
Рис. 5.3 . Кривая мощности обоатнnго
рассея н ия световода с разл и чными ~,е­
однородностями
152

мая (5.1). Пример записи сигнала обратного рассеяния представ ­
лен на рис. 5.3 . Наряду с плавным изменением мощности обрат ­
ного рассеяния на рисунке видны «скачки», соответствующие раз­
личным неодн·ородностям. Место сращивания двух световодов с
одинаковыми параметрами рассеяния, которое не дает отражений
и лишь вносит потери, на кривой отражено как скачок 1. Если же
наряду с потерями имеется также и отражение (например, разъ ­
емное соединение), то кривая имеет в этом месте локальный пик
со скачком (точка 3) . Соединение двух световодов, у которы х ар­
и G значительно отличаются, на кривой отражено скачком 2.
Пик 4 соответствует отражению от конца световода . Определение
затухания аб.с на отрезке световода без скачков, например между
координатами 21 и 22, производится по значениям мощностей об ­
ратного рассеяния Р1 и Р2, соответствующим этим точкам. Согл ас ­
но (5.1) Р 1 /Р2 = e- 2a (z,-z ,J . Следовательно, затухание на отрезк е
световода, дБ/км,
•
aб.c=a.10lge=5(z1 -z2)-1 lg ;; .
Таким образом, можно вычислить затухание на любом учас т ке .
где коэффициент затухания а постоянен . При наличии резки х и з ­
менений (скачков) на кривой P(t) (см . рис . 5.3, точки 1, 2, 3 , 4)
расчет по приведенной формуле не дает верные резул ьт а ты .
В этом случае, если неоднородность дает отражение, то в (5.1)
вместо apGVгpЛt стоит коэффициент отражения неоднородност и р,
который обычно значительно больше данного произведения . П о ­
этому нп кривой обратного рассеяния возникает пик .
Несомненно большой интерес вызывает возможность измерени я
з атухания в неразъемных и разъемных соединениях светов одов .
Согласно (5.1) значения мощности в точках 22 и 24 можно з апи ­
сать в виде :
Р2 = Роар2О2VгрЛt e-2•,z,,
р4 = Ро (Т2Т4) (Хр404Vгрлt е-2 [а,zз+ а, (z. -z,)] .
Здесь щ , а4 - коэффициенты затухания для области левее точ­
ки 22 и правее точки 24 соответственно; Т2 , Т4-коэффициен ты пе­
редачи места соединения, соответствующие передаче в пря мом и
обратном направлениях .
Из последних выражений по.пучаем затухание в точке, где
имеется скачок
Р2
аг2О2
ac=5lg р4 +stg----- a3 ,
(Хр404
где aз=l0!ge[a4(24-2з)-a2(z2-z3 ) ] представляет со б ой экс тр а­
поляцию результатов измерений .
Вычисление затухания по данной формуле требует кро м е зна ­
ния величин Р2 и Р4 знания также и параметров рассеяния свари ­
ваемых световодов. Однако если эти параметры неизвестны , а из­
вестно только , что эти параметры и коэффициенты затухан ия
153

,одинаковы для обоих световодов, а точка z3 находится на одина­
·ковом расстоянии от z2 и Z4, то последние два слагаемых исчезают
и формула принимает простой вид. Во многих случаях при изме­
,рен иях таких сведений заведомо не имеется. Преодолевается эта
~рудность измерениями обратнорассеянного сигнала с двух кон­
li ОВ измеряемого световода (разумеется, если такая возможность
!Имеется). При двухстороннем измерении затухание определяется
то формуле
а.с=2,5lg ---- - - а.3,
(Р2Р~)
р4 р~
где Р; и Р~ - значения, полученные в точках z 2 и z 4 при измере­
<Н ИИ с противоположного конца световода.
Данная формула справедлива, если значение а 3 для обоих из­
мерений одинаково, т . е. точка z3 находится посередине меж­
дуZ2ИZ4.
• Таким образом, метод обратного рассеяния - универсальный.
•Он д ает возможность измерять не только затухание и изменение
-е го вдоль световода, но и затухание на отдельных неоднородно­
,стях (соединениях, повреждениях) и определять при этом их ме­
,стор а споло:жения.
На точность измерений данным методом в основном влияют
.л окальное медовое распределение, непостоянство коэффициента
-обратного рассеяния вдоль световода и нестабильности излучате­
.ля и фотоприемника. Недостатками метода являются небольшой
.динамический диапазон измерений, обусловленный малой мощ­
•ностью излучения обратного рассеяния, приходящего к фотоприем­
,нику, и необходимость применения сложной высокочувствитель­
rн ой , широкополосной электроники для реализации метода.
5.3 . ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРЕДАЧИ СВЕТОВОДОВ
Методы измерения характеристик передачи световодов можно
-клас сифицировать в соответствии с временньrм или частотным
л редставлением по способам реализации испытательных сигналов
_или их: регистрации. Наиболее естественной является классифиЕа­
дия тю способам реализации испытательных сигналов. Согласно
этой классификации методы измерения характеристик передачи
,с ветоводов можно разделить на импульсные, методы измерения
mерестройкой (свиппированием) частоты модуляции и спектраль­
. ные [5.9].
При импульсных методах зондирующим сигналом являются
шмпу льсы . Импульсная характеристика световода связана с фор­
~ами входного х (t) и выходного у (t) сигналов соотношением
t
у (t) = Sg (t-'t) х (-с) d-c.
о
:Это соотношение отличается от обычной линейной свертки тем,
,ч то х (t) и у (t), представляющие собой огибающи~ мощности из-
154

лучения, всегда положительны и, следовательно, импульсная ха­
рактеристика g (t) также п оложительна. Для гауссова входного
импульса ш ириной Л't1 и выходного импульса шириной Л't 2 из при­
веденного соотношения можно получить:
Д,:~ = Д,:i + Д,:2,
!Где Лт - ширина импульсной характеристики.
Во :.\шогих случаях Л't о пр еделяется по измеренным ,Лт 1 и Лт2
согласно данному соотношению.
Если фурье- п реобразование (В.29) функций х (t), у (t) и g (t)
обозначить через Х (со), У (со) и Н (со), то можно записать:
У(со) = H(co)X(w).
Отсюда, используя инверсное преобразование Фурье f}'- 1, полу­
чаем:
g(t)=f-1[Н(ш)]=f -1[У(ш)/Х(оо)].
Измерив х (t) и у (t), можно вычислить Х (со) и У (w), а затем
g (t). Подобное вычисление g (t) является обычной практикой и
применяется достаточно широко.
Типичная измерительная система для определения g (t) состо­
ит из импульсного излу ч ателя, устройства ввода излучения в ис­
следуемый световод, модового скремблера, фотоприемника, осцил­
лографа. При необходимости вычисления g (t) в комплект аппара-
1·уры включают ЭВМ. В большинстве случаев источниками излу­
чения являются полупроводниковые лазеры, которые способны из­
лучать им п ульсы длительностью менее 1 нс, а также лазер на
.алюмо-итриевом гранате, неодимовый, криптоновый и др. В ка­
честве фотоприемника обычно используется лавинный фотодиод.
Нормализация распределения мощности между модами, от кото­
рого зависит импульсная характеристика, обеспечивается с по­
мощью скремблера.
Для получения удовлетворительной точности измерений при­
ходится увеличивать длину измеряемого световода, причем тем
,больше, чем меньшую дисперсию имеет световод. Длина светово ­
да выбирается такой, чтобы отношение ширины выходного им­
лульса на уровне 0,5 к ширине импульса на входе на том же уров­
не было не менее 1,4. Иногда с целью повышения точности изме­
рений увеличивают измеряемую длину световода путем последова­
тельного соединения нескольких световодов. Однако следует иметь
.в виду, что при измерении последовательно соединенных светово ­
дов и~пульсная характеристика не всегда равна свертке состав­
ляющих световодов, так как распределение мощности на входе
второго световода становится несколько отличным от равновесно­
J'О распределения мод.
Оригинальный способ увеличения длины, пробегаемой зонди­
рующим импульсом, при относительно небольшой физической дли­
не световода, используется в челночно-импульсном методе [5.1 О].
Схема установки для измерений этим методом представлена на
г ис. 5.4 . На обоих концах испытываемого световода устанавли-
155

Рис . 5.4 , Схема установки для измере­
ния дисперсии световодов челиочио-им­
пульсным методом:
1 - импульсный генератор; 2 - лазер; З
-
лин­
зы; 4 - зеркала; 5 - исследуемый светоRод;
б - фотоприемник; 7 - осциллограф; 8
-
dJор-
мирователь задержки
вает,ся перпендикулярно его
оси и вплотную к торцам
два полупрозрачных зерка­
ла . Вводимый от источника
в световод импульс излуче·
ния распрост,раняется воз•
вратно-поступат ,ельно меж­
ду о·боими зеркалами, при
этом каждый раз, когда им­
пульс приходит к пр ·иемню­
му концу, часть излучения
проходит через полупро­
зрачное зеркало и попадает
на фотоприемник. Прост­
ранство (зазор) между зер·
калом и торцом световода
заполняется согласующей
иммерсионной :жидкостью.
Сами з·еркала имеют посто­
янный коэффициент отражения в пределах числовой апертуры све­
товода, что исключает ,селекцию мод при каждом отражении от
зеркала . Весьма важным является выбор коэффициента отраже­
ния R зеркал. Если R выбрать слишком большим, то коэффициент
пропускания Т= 1-R становится очень малым и, следовательно.
уменьшает,ся выходная мощность. При малом R имлуль·с быстро
затухает и чи1сло проходов значительно уменьшается.
Обозначим мощность входного импульса через Рвх, а мощность
N-го выходного импульса через Рвых (N). Тогда, проследив з а
каждым отражением импульса, можно записать
Рвых (N) = Р0хТ2R2 (N-l>exp {- a.L (2N - 1)} =
= P 0 x(l -R)2R2 (N-l) ехр {-a .L (2N-- l)}
или в децибелах
Роых(N)=Рвх+20Jg(1- R)RN-I
-
4,34La.(2N- '\).
Анализ приведенных выражений показывает, что коэффициент от ­
ражения R должен определяться путем компромисса между зату­
ханием а, пороговой чувствительностью фотоприемника и эквива­
лентной длиной световода (2N-1) L. Нетрудно видеть, что при
большой длине (2N-1)L и малом а значение R должно быть
большим.
Данный метод дает возможность исследовать изменение фор•
мы импульса по мере распространения его в световоде, не разру­
шая при этом световод, что позволяет установить связь мод в
световоде и влияние на связь мод внешних факторов. При этом
следует иметь в виду, что сами отражатели могут вносить допол ­
нительную связь мод. Поэтому возмущения, вносимые зеркалами,
по мере возможности необходимо минимизировать всеми доступ­
ными способами- тща1ельной обработкой торцов" юстировкой,
156

применением иммерсионной жидкости и выбором отражающего по­
крытия зеркал.
Знание вел_ичины вклада каждой составляющей дисперсии в
общую дис п ерсию световодов весьма полезно для оценки их ин­
формационных свойств. Хроматическая дисперсия является основ­
ным ограничивающим фактором для одномодовых систем при
большой скорости передачи и больших расстояниях между регене­
раторами. Важное значение для разработки световодов с компен­
сацией дисперсии на заданной длине волны имеет также зависи­
мость материальной дисперсии от длины волны. В связи с этим
существует задача о раздельном измерении межмодовой и хрома­
тической дисперсий.
Принцип раздельного измерения дисперсий основывается на
том, что разность во времени задержек импульсов излучения с
разной длиной волны ),, 1 и л2 вызывается лишь волноводной и ма­
териальной дисперсиями и не зависит от межмодовой дисперсии .
Разность задержек на длине в 1 км поэтому определяется выра­
жением
Лtх = (Dв-Dм) (,'А2·-(А1)/'А,
где 'А= (J., 1 +л2 ) /2, а Dв и Dм - волноводная и материальная дис­
персии соответственно.
На рис. 5.5 показана схема установки для раздельного измере­
ния дисперсий [5.11]. Излучение от лазеров 2 и 3, модулируемых
,одним импульсным генератором 1 и работающих на длинах волн
л1=86О нм и л2=900 нм, вводится через полупрозрачное зерка­
Jю 4 в испытуемый световод 5. Выходной сигнал с помощью полу­
прозрачного зеркала 6 направляется на фотоприемники 7 и 9.
С фотоприемника 7 снимается сигнал для запуска развертки ос­
;циллоr·рафа 10. С фотоприемников 8 и 9 на осциллограф поступа­
ют сигналы, соответствующие входным и выходным импульсам.
На экране осциллографа регистрируется изменение «расстояния»
между импульсами излучения с длинами волн )., 1 и л2 на входе и
выходе световода. Таким образом определяется Лtх, а из приве­
денного выше выражения и величина хроматической дисперсии.
Рис. 5.5 . Схема установки для раздельного измерения составляю­
щих общей дисперсии световодов
157

Если входные и выходные импульсы, а также импульсные ха­
рактеристики из-за межмодовой, волноводной и материальной дис­
персий имеют форму, близкую к гауссовой, то ширина выходного
импульса
д't~ = Д,i +д't~1м + (д'tв+Л'tм)2•
где Л~-мм, Л~-в, ,Л~-м -- ширина импульсной характеристики из -за меж­
модовой, волноводной и материальной дисперсий соответственно.
Обозначая относительную ширину полосы излучения лазеров
через Лл/л (здесь принято Лл1 = Лл 2 = Л.л), можно, с другой сторо­
ны, записать :
Измеряя .Лт2, Лт , и используя определенное ранее значение хр ом а ­
тической дисперсии, с помощью двух последних выражений вычис­
ляем уширение импульса из - за межмодовой дисперсии.
Перейдем к рассмотрению методов измерения частотных харак­
теристик световодов . Одним из таких методов является мето д мо­
дуляuии излучения свиппированной частотой.
Схема установки, основанной на данном методе, в основном
идентична схеме установки для измерения импульсным методом
и отличается тем, что интенсивность света модулируется син у со­
идальным сигналом, поступающим от генератора качающей часто­
ты или от генератора с перестраиваемой частотой выходного сиг­
нала. В качестве источника излучения используются как некоге­
рентные излучатели, так и лазеры. Длина волны источника обыч­
но выбирается в пределах ±:20 нм от номинальной рабочей дли­
ны волны. Приемная часть (фотодетектор с регистрирующей аппа­
ратурой) выполняется линейной по отношению к входному сигна­
лу. Сигнал на выходе испытуемого световода записывается, затем
световод обрезается на небольшом расстоянии от передающего
конца (после скремблера и фильтра оболочковых мод, если тако ­
вые используются) и, не нарушая условия ввода, записывается
сигнал на выходе короткого отрезка световода [5 . 12] . Результаты
измерений, полученные на всей длине световода и на коротком от­
резке, делят почастотно, вычисляя тем самым частотную харак­
теристику . Ширина полосы определяется по уровню - 6 дБ.
При гауссовой форме измеренной частотной характеристики и
гауссовом спектре излучения источника можно определить ширину
полосы пропускания световода Вмм, ограниченную межмо дов ой
дисперсией:
Вмм = [(1/В) 2
-
(Dx (л) ЛлL 1О- 6/0,44) 2
]-
1
12
,
где В - измеренная ширина полосы на уровне
-6дБ, МГц; Dx=
= Dв+,'Dм- хроматическая дисперсия, пс/нм - км; Лл- ширина ,
спектра излучения источника на уровне 0,5, нм; L - длина све­
товода, км.
Величину Dx можно определить тем же методом модуляции
свиппированной частотой. Для этой цели необходимо использовать..
158

источник излучения с двумя различными длинами волн или два!
источника с разными длинами волн 1[5.9]. Оба излучателя модули ­
руются одним _ и тем же синусоидальным сигналом. При длине све ­
товода L разность времени задержек оптических сигналов с дли -·
нами волн л1 и л2 будет :
лtх --
"2-
"1LDx,) (
+)
2
л="1 л2)/.
л
На приемный конец сигналы с частотой fт приходят в противофа •
зе, если разность времени задержек Лtх = (1/2fт) (2п+ 1), п=
= 1, 2, 3, ... Измерив две частоты модуляции, на которых наблю ­
ется минимальный уровень принимаемого модулированного сигна ­
ла, можно по разности этих частот вычислить Лtх, а затем и Dx ,
Основное преимущество данного метода измерения хроматиче­
ской дисперсии - высокая точность измерений, поскольку метод ,
по сути, является нулевым, и, кроме того, как известно, измерение
частоты дает наивысшую точность по сравнению с измерениями
других физических величин.
Из приведенных примеров видно, что метод измерения частот­
ных характеристик не требует специальных дополнительных расче ­
тов. Как и в импульсных методах, для обеспечения повторяе мости
результатов необходимо стандартизировать условия измерения пу ­
тем создания равновесного распределения мощности мод. К недо­
статкам данного метода можно отнести трудность определения
фаза-частотной характеристики, без которой измерения не дают
полной информации о характеристиках передачи световодов.
Весьма оригинальным является спектральный метод измере ­
ния частотной характеристики. Суть метода понятна из рассмот ­
рения э 1,спер иментальной установки [5.13]. В качестве источника
используется криптоновый лазер в режиме свободной генерации .
Спектр излучения лазера в режиме свободной генерации состоит·
из целого ряда спектральных составляющих, частотное расстояние
между которыми определяется длиной резонатора . Каждая с пек­
тральная составляющая как бы представляет собой излучение не ­
зависимого генератора. В эксперименте использовался лазер с ча ­
стотным разделением продольных мод 100 МГц. Частотная харак­
теристика определялась п утем сравнения спектров, получаемых с
помощью спектроанализатора, сигнал на который поступал с фо­
топриемника, устанавливавшегося поочередно на выходе источни­
ника и выходе световода.
Как видим, спектральный метод измерения достаточно прост
в реализации. Однако для обеспечения хорошей повторяемости
результатов в данном методе весьма важно создать одинаковые
условия возбуждения мод при каждом измерении {В . 8] .
Завершая рассмотрение методов измерения характеристик пе ­
редачи, затронем вопрос о полосе пропускания состыкованны х
световодов, который возникает при строительстве оптических ли ­
ний спязи. Очевидно, что при строительстве важно подобрать стро­
ительные длины кабеля с такими полосами, которые обеспечили
159

бы требуемую полосу пропускания регенерационного участка. Что­
бы осуществить такой выбор, необходимо знать зависимость меж­
ду шириной полосы каждой строительной длины Bk, измеренной
до монтажа линии, и результирующей полосой смонтированного
участка В. Согласно теории данного вопроса [5.14]:
_l_i
_
l_+2~ 1 R(k,k+1)
в21В%
.1
вkвн1 ,
где R(k, k+l)-коэффициент корреляции между k - й и (k+l)-й
строительными длинами.
Коэффициент корреляции зависит от степени смешени.я мод.
Если смешение мод играет весомую роль, то R (k, k + 1) стремится
к нулю. При небольшом смешении коэффициент корреляции опре­
де.Тiяется выражением
1
R(k, k+ 1)=2(1/В 2 - 1/Bk -1 /Bk+1)B1,Bk+I•
Из приведенных выражений видно, что величина В максималь­
на при максимальном числе отрицательных R. Такое положение
можно получить, чередуя световоды с недокомпенсированными и
перекомпенсированными профилями показателя преломления.
5.4. ИЗМЕРЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ИЗМЕРЕНИЕ ПРОФИЛЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ
Основным фактором, . определяющим передаточные характери­
стики световодов, как показано в В.2, является профиль показате­
ля преломления. При точном выдерживании оптимального профи­
ля показателя преломления градиентного световода вдоль его дли­
ны ширина полосы может достигать около 10 ГГц-км. Вполне по ­
нятно, что для реализации такой полосы необходимы точные ме­
тоды измерения· профиля показателя преломления. Однако созда­
ние широкополосных световодов - это не единственное звено во
nсей цепи построения систем связи, где требуется измерение про­
филя показателя преломления. Эти измерения могут потребовать­
ся в процессе производства самого кабеля, например при подборе
световодов для одной строительной длины кабеля или для оценки
нлияния технологических операций на передаточные характеристи­
IШ световода в кабеле. Необходимость таких измерений назревает
также и при строительстве линий связи с большой скоростью пе­
редачи. Наконец, измерения профиля показателя преломления мо­
гут проводиться для теоретической оценки ширины полосы . Мак­
симальную требуемую точность измерений профиля показателя
преломления можно определить из теоретического предела шири­
ны полосы, которая реализуется при оптимальном профиле. На­
пример, при оптимальном профиле в световоде с n1-n2=0,02 по­
лоса составляет примерно 8,5 ГГц• км. Резкое сужение полосы на­
блюдается уже при отклонении от оптимального значения пара-
160

метра профиля g на 0,05. Значит, погрешность определения g
должна быть менее 0,05, для чего необходимо обеспечить точность
измерения показателя преломления не хуже 10- 4
.
Это достаточно
высокая точность и достичь ее сложно. Точность измерения, од­
нако, не является единственным фактором, определяющим каче•
ство метода. В некоторых случаях решающим аргументом при вы­
боре метода является простота установки или простота и быстро­
та получения результатов . Ниже кратко описываются несколько
методов измерения, их особенности, положительные и отрица­
тельные стороны.
Наиболее простые по своему принципу методы, основанные на
явлении отражения света. В одном из них {6.16] коллимированный
световой пучок с размером фокального пятна, значительно мень­
шим диаметра световода, направляется нормально на поверхность
его торца. Отраженный от торца световой поток измеряется. Так
1сак коэффициент отражения, а следовательно, и мощность отра­
женного света зависят от показателя преломления, то, перемещая
фокальное пятно вдоль диаметра световода, можно получить зна­
чение отраженной мощности света в любой точке радиуса свето­
вода. Зависимость показателя преломления от радиуса вычисляют
по формуле:
()_(п~
-
1) (VР,/Ре - \)
n1r-п2-
-------"----"--_-
_
-_
-.= ,
(n2+ 1) - (n2 - 1)VР,/Ре
где Pr и Ре -- мощности излучения, отраженного соответственно
от сердечника и оболочки.
Получение непосредственно результата без какой-либо допол­
нительной обработки - важное достоинство данного метода.
Не вдаваясь в подробности практической реализации метода,
можно отметить, что поскольку разница мощностей отраженных
пучков сердечника и оболочки невелика, то на практике нужно из­
мерять мощность отраженного света с большой точностью. Это
усложняет аппаратуру, используемую для измерений, и ограничи­
вает точность. На результаты измерений влияют также качество
обработки торца световода и наличие пленки паров воды. Все эти
причины ограничивают точность измерений показателя преломле­
ния до Лп~ 10-з. При измерениях данным методом одномодовых
световодов для получения удовлетворительных результатов необхо ­
димо вводить поправку на коэффициент, учитывающий конечные
размеры фокального пятна.
На явлении отражения света основан так называемый иммер­
сионный метод, обеспечивающий высокую точность измерений -
менее 10-4
_
Однако его можно применять для измерения только
ступенчатых световодов.
Интерферометрические методы являются наиболее точными
методами измерения профиля показателя преломления. Для изме­
рений обычно используется интерференционный микроскоп на ос­
нове интерферометра Маха-Цандера. В одном из вариантов интер­
ферометрического метода изготавливается тонкая ( 100 ... 200 мкм)
11-1149
161

пластинка, вырезанная из световода перпендикулярно ег о оси ..
Пластинка помещается в одно из плеч интерферометра . П о полу -­
ченной интерферограмме рассчитывают профиль показате л я пре ­
ломления . Точность таких измерений практически ограничиваетсw
точностью измерения толщины образца и составляет не б о лее ·
10- 4 , а с применением электронных методов обработки изобра ж е ­
ния интерферограммы точность достигает 10-5 [5.17] . Высокая точ ­
ность дает возможность исследовать профильную дисперси ю Pn r,,
(см . (В . 24)) и рассчитать оптимальное распределение показателя
преломления для заданной рабочей длины волны. Однако указан ­
ная точность достигается ценой большой затраты времени
при тщательной обработке образцов и математическо й об­
работке ре з ультатов измерений, если не используются авто­
матизированные системы считывания и компьютерная обра-­
ботка интерферограммы . Следует также заметить, что дан ­
ным методом трудно точно измерить глубину провал а в
uентре профиля показателя преломления, вызываемого обычно ис ­
парением присадки из центра кварцевой трубки при схлопывани и
ее в заготовку . Трудностей с обработкой образцов можно избе­
жать , если использовать метод интерферометрии, в которо м отре ­
зок световода, помещенный в иммерсионную жидкость в од н о м из:
плечей интерферометра; освещается под прямым углом к его оси .
Иммерсионная жидкость, имея показатель преломления, р а вны й,
показателю преломления оболочки, устраняет влияние внешне й,
границы оболочки . Распределение показателя преломления по се ­
чению определяют по измеренному сдвигу интерференци о нных
полос путем решения интегрального уравнения . Данный метод да ­
ет большую, чем метод интерференции среза погрешность измере ­
ний, которая максимальна вблизи оси световода, в связи с чем дл я,
одномодовых световодов он применим при сравнительно бол ьши х
значениях Лп (порядка 0,01). Кроме того, при методе интерферо­
метрии н случае поперечного освещения требуется осевая симмет ­
рия световода. Однако несмотря на эти недостатки, данный мето д
представляет определенную ценность, благодаря простоте про­
цедуры измерений и лучшему разрешению деталей структуры све ­
товодов, чем при интерферометрии среза .
В методе фокусировки [5.17, 5.18], при котором световод также
освещается под прямым углом к оси, увеличение ошибки вблизи
оси световода почти не возникает. Здесь вместо интерференцион ­
ного микроскопа используется обычный микроскоп, а освещение
производят некогерентным монохроматичным светом . Если поме ­
стить световод в согласованную с оболочкой иммерсионную жид ­
кость, то сердечник фокусирует падающий свет как цилиндриче ­
ская линза . Так как между распределением плотности потока из ­
Jiучения в плоскости изображения данной Jiинзы и распределением
показателя преломления в ней (в световоде) существует опреде­
ленная связь, можно, определив из эксперимента плотность по т ока ,
вычислить профиль показателя преломления . Метод фокусировки
обеспечивает высокую точность измерений как многомодовых , так
162.

и одномодовых световодов (порядка несt<ольких единиц Х 10-5).
Пространственное разрешение при этом не превышает 1 мкм. На­
блюдается н~которое увеличение погрешности на оси световода,
однако она остается небольшой.
Благодаря простоте в реализации в настоящее время широко
применяется метод ближнего поля [5.19], сущность которого осно­
вана на том, что при равномерном возбуждении всех направляе­
мых мод мощность в любой точке какого-либо сечения сердечника
пропорциональна разности показателей преломления в данной точ­
ке и оболочке, т. е. пропорциональна квадрату локальной числовой
апертуры (см. (В.15б)). Равномерное возбуждение всех мод мож­
но осуществить от некогерентного ламбертовского источника, на­
пример светодиода, установленного вплотную к торцу световода .
На другом торце световода с помощью хорошо сфокусированного
микроскопа можно определить распределение мощности в ближ ­
ней зоне.
.
При использовании данного метода, однако, имеется одна труд ­
ность, связанная с тем, что источник возбуждает не только направ­
ляемые моды, но и вытекающие, которые для световодов с боль­
шим V несут значительную часть мощности излучения. Это излу ­
чение, распространяясь по периферии сердечника, искажает ре­
зультаты измерений - нычисленный показатель преломления при
небольшой длине образца завышен вблизи границы «сердечник -
оболочка». При большой длине исследуемого световода, благодаря
связи мод, теряется часть мощности мод, близких к отсечке. Это
также может исказить результат . Поэтому измерения проводят на
отрезках световода, не превышающих 2 м, и принимаются меры по
согласованию числовых апертур возбуждающего пучка излучения
и световода. Профиль показателя преломления для образцов дли­
ной около 2 м вычисляется по формуле
п (r) = [(NA)2 Р(г)
1
Р(О)
Для коротких отрезков световода
ния проводятся по формуле
+ nI (а) J'2·
(порядка 0,1 м)
[
р(г)( (r)2\112
1112
n1 (r)= (NA)2 P(O) l--; ) +ni(a) .
вычисле-
Здесь Р(О) и P(r)- мощности, измеренные соответственно в цент ­
ре сердечника и точке r.
Вычисления по этим формулам приводят к неплохим результа­
там без введения поправок на вытекающие моды . К:ак нетрудно
заметить, данный метод позволяет определить лишь форму про­
филя показателя преломления, а числовую апертуру , или разность
n1-n2, необходимо найти каким-либо иным способом .
Рассмотрим производный метод ближнего поля, , называемый
рефракционным методом ближнего поля [5.20]. Он . имеет ряд до ­
стоинств, в связи с чем остановимся на нем несколько подробней.
Метод основан на том факте, что луч, входящий в . сердечник че­
рез торец под углом, большим апертурного угла, покидает свето-
11*
163

вод под углом к оси световода, который зависит от значения по­
казателя преломления в точке падения луча на входе. Измерив
выходной угол луча при различных координатах точки падения,
можно определить профиль показателя преломления.
Это несложно понять, рассмотрев схему установки на рис. 5.6 .
Световод помещается в кювету с иммерсионной жидкостью, име­
ющей показатель преломления, согласованный с показателем пре­
ломления оболочки. На входной торец световода через стенку кю­
веты излучение от источника фокусируется в малое пятно
(О,Б .. . 1 мкм) На расстоянии r от оси световода . Апертурный угол
пучка выбирается несколько больше апертурного угла световода,
находящегося в жидкости. Часть излучения, передаваемая I-(аправ­
ляемыми модами, распространяется по сердечнику. Другая часть
излучения, переносимая вытекающими модами, выходит из сер­
дечника. Третья часть, рефрагирующая в оболочку, представляет
собой излучение, входящее в световод под углом, превышающим
угол захвата. Угол выхода этого излучения из сердечника зависит
от значе ния его показателя преломления в точке, где пучок входит
в торец. Поэтому конус лучей, выходящих из сердечника, изменя­
ет свой угол при вершине, если фокальное пятно на входе свето­
вода перемещается вдоль радиуса. Это видно на примере распро­
странения луча А. Пусть данный луч, пройдя иммерсионную жид­
кость с показателем преломления n2, падает на сердечник в точ­
ку, удаленную от оси на расстояние r, под углом, незначительно
превышающим апертурный угол световода (в жидкости). Пре­
ломившись на границе «сердечник - оболочка», он выходит в им ­
мерсионную жидкость. При этом на торце выполняется условие
n2 sin О~;,,= п1 (г) sin 0.
На границе «сердечник - оболочка» можно записать:
n1(г)cos0= n2 cos~~tп·
г- --- ---------------------
1
1
1
L_______________________J
Рис . 5.6 . Схема установки для измерения распреде ­
.лення показателя преломления световодов рефрак­
ционным методом ближнего поля:
1 - диафрагма; 2 - линза; 3 - световод; 4 - кювета с им­
ме рсионнЬй жидкостью: 5 - экран; 6
-
пучок излучения. на­
правляемый на фотоприемник
164

Из этих двух равенств находим соотношение между показателем
пре.11омления п 1 (r) и углом выхода:
ni(r)=n~(sin 2 0' + cos 2 0").
(5.2)
Здесь индекс «min» опущен, так как данное соотношение выпол­
няется для любого луча с входным углом 0'>0~;п и справедливо
только для рефрагированного излучения. Чтобы на результаты из­
мерений не влияло излучение вытекающих мод, на пути лучей
устанавливается круглый экран 5. с запасом перекрывающий уг•
J[ОВОЙ диапазон вытекающих мод. Кроме того, необходимо принять
меры, чтобы все лучи 0'>0~i" попадали на фотоприемник . С этой
целью диафрагмой 1 ограничивается угол сходимости входного
пучка значением 8'>8 ~ах·
Определим соотношение между мощностью излучения, прихо­
дящего на фотоприемник, Р (r) в пределах 0~;,, < 0' < 0~ах и рас­
пределением показателя преломления. Примем, что мощность из­
лучения Ри, приходящаяся на элемент телесного угла Q-=
= sin 0dfMcp, не зависит от направления . Тогда
в'
2,с
тах
P(r)=PиJ drp S sin6d0=21rPи(cos6' 1 -cos6'
·).
тп
тах
о
о'
min
С помощью (5.2), выразив 0~1" через •е:,, 1" найдем:
[(
n2(r)-n2 )''2
]
P(r)= 2тtРи
cos 2 0~ 1,,-
1•r,~
2
-
cos О~ах •
Учитывая, что разность п 1 (r)-n 2 мала, а также то , что излуче ­
ние попадает на фотоприемник при его фокусировке на входном
торце в оболочку, получим:
()
CJ' ( CJ"
CJ'
) P0 -P(r)
п1r --п2=п2cosu I cosu ,
-
cos u
-----
,
тп
т,п
тах
р (а)
где Р (а) - максимальное значение мощности излучения . Здесь не­
известное значение мощности источника Ри заменено на измеряе­
мую мощность Р (а) .
Таким образом, по известным параметрам установки и изме­
ренным значениям мощности определяется профиль показателя
преломления. Точность измерений указанным методом оценивает­
ся значением 10-4
.
Простота процедуры измерений, отсутствие не­
обходимости сложной математической обработки, пригодность
для измерений как многомодовых, так и одномодовых световодов
делает метод привлекательным для разных условий изме­
рения.
Модификация данного метода предпринята в [5.21] с целью
исключения трудностей, связанных с необходимостью точного ска ­
нирования светового пятна по торцу световода . Осуществляется
это взаимной перестановкой источника и фотоприемника рефраги­
рованных лучей. При этом производится боковое освещение све-
165

товода, а распределение освещенности на его торце определяется
как в обычном методе ближнего поля. Выражение, полученное для
связи измеряемой мощности преломленного света с профилем по­
казателя преломления, подобно выражению, используемому для
расчета в описанном ранее методе. Применение в описываемом
методе телевизионной техники значительно облегчает регистрацию
распределения освещенности на торце .
ИЗМЕРЕНИЕ АПЕРТ У РЫ
Способность световода принимать световую энергию характе­
зируется числовой апертурой NA. Согласно определению числовая
апертура-· это синус максимально г о угла 0пр между падающими
на вход лучами, направляемыми световодом, и его осью. Угол 0пр
называют апертурным углом . Из выражений (В.15а) и (В.15б)
видно , что числовую апертуру нетрудно определить, если известен
профиль показателя преломления. Следовательно, любой метод
измерения профиля показателя преломления может быть исполь­
зован для определения NA. Тем не менее эти методы, несмотря
на достаточно высокую точность для измерения NA, ис п ользуются
очень редко . Значительно проще определять NA по результатам
нзмерений 0пр на выходе световода, что возможно благодаря ра­
венству предельного угла на входе половинному углу конуса излу­
чения на выходе световода при установившемся в нем равновес­
ном рас~;rределении мод. С этой целью снимается угловая диаграм­
ма и з лучения в дальней зоне.
Установка для таких измерений обычно включает гониометр,
состоящий из вращающейся стрелы, на конце которой укрепляет­
ся фотодетектор . В центре неподвижной опоры размещается вы­
ходной конец исследуемого светово'да. Ось стрелы проходит через
центр опоры. Обязательным условием измерений является равно­
весное распределение мощности мод на выходном конце световода,
что можно достичь описанными ранее способами. По полученным
диаграммам излучения вычисляется эффективный апертурный
угол , представляющий собой угол между образующей и осью вы­
ходного конуса излучения, содержащего 90 % всей выходной
мощности, или угол между осью конуса и направлением лучей, при
которых мощность на диаграмме составляет 0,1 от максимальной.
Схема установки для измерения распределения мощности из­
луч е ния в дальней зоне представлена на рис . 5.7 . Повторяемость
резу льтатов измерений обеспечивается выполнением определенных
условий. Например, при измерении апертуры градиентных светово­
дов МК.КТТ рекомендует использовать образец длиной порядка
2 м со тщательно обработанными нормально к оси торцами, рас­
положенный достаточно прямо для исключения влияния изгибов.
Источник должен быть некогерентным, излучающим на рабочей
длине волны световода . Устройство ввода должно обеспечивать
переполнение апертуры световода, для чего при возбуждении стан­
дартного градиентного световода с размерами сердечника и обо-
166

JIОЧКИ 50 И 125 МКМ СО­
ОТВеТС'ГВеННО фокусируе­
мый пучок излучения
_должен иметь числовую
апертуру не менее 0,3 и
:и диаметр на торце не
менее 70 мкм. Возбуж­
---·--------- -
z
3
Рис. 5.7. Схема установки для измерения
диаграммы излучения световода
даемые при этом оболочковые моды должны надежно устранять,ся
.,стриппером - устройством для удаления оболочковых и излучае­
мых мод. Сканирующий фотодетектор ра,сполагается на расстоя­
нии 10 ... 20 см от выходного торца световода.
Рассмотренный метод в принципе может применяться и в слу­
чае одномодовых световодов. Однако следует иметь в виду, что
при изменении ширины диаграммы направленности излучения этих
- световодов конкретные требуемые условия проведения измерений
(длина образца, способы возбуждения и т. п.) могут отличаться
от вышеописанных.
Ширину диаграммы направленности излучения одномодовых
,световодов можно также определить по измеренному значению эф­
· фективного радиуса моды. На основе (В.4) напряженность поля
·-одномодового световода в функции от r можно записать в виде:
1
10 (хг)
при r<. а,
E(r) = J(xa) К(Сг) при г > а.
Ко (Са)
'Распределение поля при r<.a для удобства анализа можно выра­
зить через гауссову функцию от эффективного радиуса w мо­
_ды LP01:
Е(г)=Аехр(-r2/w2).
Эффективный диаметр моды (или, иначе, размер пятна)- это
.диаметр окружности, на которой амплитуда напряженности поля
-составляет 1/е максимального ее значения на оси световода или
значение мощности на уровне 1/е 2 максимального. Гауссово поле
лри выходе излучения из световода сохраняет свое распределение
и пучок остается гауссовым вдоль всей траектории распростране­
шия . Расходимость гауссового пучка определяется выражением
0=Л/ (2лw).
Таким образом, зная эффективный диаметр моды, можно вы­
числить расходимость излучения, т . е. определить ширину диа­
граммы направленности. Методы измерения w будут описаны
,ниже.
ИЗМЕРЕНИЕ ДИАМЕТРА ПОЛ51 МОДЫ ОДНОМОДОВЫХ СВЕТОВОДОВ
Диаметр поля основной моды LP0 1 - важный параметр, кото­
рый не только может использоваться для измерения ширины диа­
граммы направленности, но определяет потери на соединениях
,световодов и влияет на потери из-за микроизгибов. Имеется не-
167

сколько методов измерения диаметра поля моды: ближнего поля,
поперечного смещения, преобразования дальнего поля и аппрок­
симации дальнего поля гауссовым распределением.
Метод ближнего поля обеспечивает наиболее прямое измере ­
ние диаметра пятна. На выходном торце световода с помощью
хорошо сфокусированного микроскопа снимается распределение
мощности излучения. Чаще всего для этой цели используется ви­
дикон, но при этом могут возникнуть некоторые трудности с не­
линейностью инфракрасных видиконов.
В методе аппроксимации дальнего поля гауссовым распределе­
нием измерение производится путем сканирования фотодетектором
дальнего поля на выходе световода. Диаметр поля моды опреде­
ляется на уровне 1/е 2 , как это отмечалось в предыдущем парагра­
фе. Реализовать практически такой метод проще, так как скани­
рование ведется в дальней зоне.
Метод поперечного смещения основывается на измерении мощ­
ности излучения, выходящего из двух последовательно соединен­
ных одномодовых световодов при их взаимном поперечном смеще­
нии в месте соединения . Размер пятна определяется на уровне
1/е 2 функции передачи мощности в зависимости от смещения, если
принимается гауссовая аппроксимация распределения поля. Мак­
симум мощности проходящего излучения имеет место, когда оси
световодов точно совмещены.
Схемы установки для измерений представлены на рис. 5.8 [5.22].
В качестве источника света используется, например, галогеновая
лампа с фильтром, у которого ширина полосы пропускания по­
рядка 10 нм, или монохроматор. Для снижения влияния боковой
засветки и увеличения отношения сигнал-шум излучение источника
модулируется механическим прерывателем . Излучение вводится в
световод с переполнением. Перед местом соединения световодов
для снятия оболочковых мод устанавливается стриппер. Торцы
световодов с точностью до 1° перпендикулярны оси. Излучающий
конец первого световода устанавливается на трехкоординатное
Рис. 5.8 . Схема установки для измерения дна•
метра поля моды методом поперечного смешения:
1 - излучатель; 2
-
устройство ввода излучения в све·
товод; 3 - стриппер; 4
-
место соединения световодов;
5 - фотоприемник
•
168

•
1(
юстировочное устройство .. При­
нимающий конец второго све­
товода закр,епляется непод­
виж,но. Соединяемые концы
световодов находятся в иммер­
сионной жидко·сти на расстоя­
нии не более 5 мкм и закреп­
ляются таким образом , чтобы
в световодах не возникали ме­
ханические напряжеНtия. Пер­
вый световод поддерживается
в пря.мом состоянии (по воз­
можности без каких-либо· из ­
гибов). Выбираемые образцы
световода должны быть дли­
ной 0,5 ... 1,5 м.
Рис. 5.9 . Соотношение междv ко-
ординатами сечений , смещенных
световодов
Пусть распределение поля в поперечном сечении световода, вы­
раженное в полярных координатах, обозначается Е (r , 0), а поле
при взаимном смещении торцов на величину d в направлении 0d
обозначается Е (r', 0'). Тогда функция передачи мощности от сме ­
щения
т= [JJЕ(г, 0) Е (r' , 0') rd0drГ•
где E(r, 0) нормализовано таким образом, что при d=O величи ­
наТ=1.
Соотношение между координатами r, е, r', 0' и смещением
центров торцов световодов d нетрудно получить из рис . 5.9 :
г'=[(г cos0- d cos 0d)2+(гsinв - d sin 0d)2]1'2,
tg0'=(rsin0- dsinBd)/1гcos0- dcos0d).
С учетом этих соотношений по полученной из измерений функци и
передачи мощности определяется диаметр поля.
Метод смещения несложен в реализации и обеспечивает точ ­
ность измерений не меньшую, чем при использовании других ме ­
тодов. С другой стороны, метод ближнего поля позволяет дополни­
тельно определить диаметр оболочки и ее некруглость, а также
неконцентричность сердечника и оболочки.
ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ОТСЕЧКИ
Работа световода в одномодовом режиме контролируется из ­
мерением длины волны отсечки, или критической длины волны,
т. е. длины волны, при которой мода LP11 превращается в излу­
чающую . Длина волны отсечки лкр в основном измеряется одним
из трех методов, которые условно можно назвать : метод изгиба ,
метод передаваемой мощности и метод диаметра модового поля .
Метод изгиба основан на факте изменения потерь при изгибе
световода в функции от длины волны распространяющего излуче-
169

ния . Испытуемый световод возбуждается источником излучения с
!Перестраиваемой длиной волны л. Сначала снимается зависимость
выходной мощности Р от л при минимальном изгибе световода
(например, когда он намотан на бобину с радиусом более 250 мм) .
Затем при тех же · условиях ввода световод наматывают на ци-
линдр с радиусом порядка 10 мм, при котором значительно воз-
•
р а·стают потери на изгиб, и снова измеряют зависимостью Ри =
= f (л) . Потери на изгибе в функции от длины волны оп р еделяют-
,ся по формуле
аи (л) = 1О lg(Р (,л) /Ри (:л)).
•Функция аи (л,) имеет максимум, когда LР 11 -мода становится гра­
=ничной, и резко уменьшается на более длинных волнах. Величи­
;на лкр определяется по аи (л) как самая короткая длина волны,
·при которой потери на изгиб составляют 0,1 дБ.
Метод передаваемой мощности основан на изме н ении мощно­
, сти излучения в зависимости от длины волны. Передаваемая мощ­
ность излучения Р (л) от перестраиваемого по 'Л, источн и ка норми­
:р у е тся мощностью Рм (J,), передаваемой опорным многомодовым
-с ветоводом , возбуждаемым теми же источником и устройством
:& вода излучения [5.22]. Таким образом, получается зависимость
нормированной мощности (в децибелах) от дли н ы волны, пример
:которой представлен на рис . 5. 10. Резкий скачок в ходе кривой на­
•б людается, когда LР 11 -мода из направляемой превращается в из­
. лучательную . Критическая длина волны определяется по пересе­
ч ению полученной кривой с прямой (штриховой), смещенной на
·0 ,1 дБ выше аппроксимированного прямой линией участка в обла­
-сти больших длин волн.
Длина испытываемого образца выбирается порядка 2 м. При
измерениях образец образует петлю с радиусом не менее 140 мм.
· Опорный многомодовый световод имеет длину 1 ... 2 м. Устройство
,в вода излучения в световоды должно обеспечивать возбуждение
LP01 - и LР 11 -мод . На небольшом расстоянии от входа на световод
:ус танавливается устройство для снятия оболочковых мод, т . е .
.п реобразования
их в излучаемые моды.
P(i1,)
Рм(л,)'
дБ
Рис. 5.10 . Определение критиче­
,с кой длины волны по зависимо­
· ПИ нормированной мощности из­
.л учения из световода от длины
волны
170
w
Рис. 5.11 . Определение критиче­
ской длины волны по зависимо­
сти диаметра поля от д~ины вол-
ны нзлучения

•
В методе диаметра модового поля используется явление изме­
,rнения диаметра поля излучения в световоде в зависимости от дли­
ны волны. Измерения заключаются в определении на выходе све­
товода диаметра поля w на различных длинах волн. Для этой це­
ли можно использовать методы, принятые для измерения диамет­
ра поля, например метод поперечного смещения (см. рис. 5.8) , но
при этом источник должен быть перестраиваемым по длине волны
излучения. Для измерений в данном случае используются два от­
резка световодов длиной по 2 м, каждый из которых образует
петлю радиусом не менее 140 мм. Критическая длина волны опре­
деляется по точке пересечения двух прямых, представляющих
собой линейную экстраполяцию участка снятой кривой, где име­
-ется значительное отклонение диаметра поля от монотонного хода
кривой (рис. 5.11).
Описанными методами можно измерить длину волны отсечки
,с точностью ± (0,005 ... 0,01) мкм. Последний метод несколько
более сложен в осуществлении, чем предыдущие два, процедура
,измерений которых во многом сходна.
5.5 . МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
Механические характеристики оптических кабелей, благодаря
,специфическим свойствам световодов играют, как это уже отме­
чалось ранее, важную роль для надежного функционирования
кабелей. Значимость этих характеристик весома и потому , что
климатические воздействия на кабель в конечном счете также сво­
дятся к механическим воздействиям или связаны с ними. Изме­
рения механических характеристик дают богатую информацию о
-состоянии и способности безотказной работы оптического кабеля .
При изучении механических свойств оптических кабелей крите­
риями годности считаются отсутствие разрушения (обрыва) одно­
го и з световодов, изменения какого-либо его параметра и необра­
тимое изменение свойств оболочек или других элементов кабеля .
Чаще всего под изменением параметров понимается отклонение
зат vх ания от исходного значения. Изменение затvхания является
бал.е е «чувствительным» критерием, чем разруп.iение световода.
Однако не следует полагать. что неизменность затухания при ис­
пытании яnляется свидетельством того, что кабель выдержал дан­
ное испытание. На практике возможны случаи, когда световод при
испатании разрушается, но изменение затухания незначительно и
не обнаруживается . Поэтому испытываемый образец следует отне ­
-еги к выдержавшим испытание лишь в том случае, если он соот­
ветствует всем трем критериям .
Рассмотрение методов измерения механических характеристик
,о пт и ческих кабелей начнем со стойкости к растягивающим усили ­
ям. Данная характеристика определяет допустимое растягива ­
ющее усилие, прикладываемое к кабелю . Наибольшие растягива­
ю щи е усилия кабель испытывает при прокладке в кабелепроводы.
171

В связи с этим испытания на растяжение следует выполнять та­
ким образом, чтобы условия максимально приближались к усло­
виям прокладки в кабелепроводы. Во время прокладки возникает
сложная система сил взаимодействия между элементами кабеля ,
его оболочкой и кабелепроводом. Как будет показано в гл. 6, си­
лы, действующие на световоды в кабеле, их деформация зависят
от его конструкции . Поэтому методы испытания на растяжение
должны кроме того строиться с учетом конструктивных особенно­
стей кабеля. Для рассмотрения вопроса о методах испытания мно ­
гообразные конструкции оптических кабелей удобно разделить на
две группы, основным признаком отличия которых является вели­
чина трения между компонентами конструкции. Кабели, у которых
трение между элементами велико, относятся к группе кабелей с
шютной структурой . Кабели, у которых элементы конструкции
свободно проскальзывают 011носительно друг друга, составляют
группу кабелей со свободной укладкой.
В гл . 6 будет показано, что в кабеле плотной структуры при
прокладке все элементы деформируются на одну и ту же величи­
ну. Испытания таких кабелей на растяжение можно производить
• на разрывной машине. Отрезки кабеля максимальной длины, до­
пустимой для испытания на данной разрывной машине, устанав­
.шшаются в зажимы. Все элементы кабеля на обоих концах отрез­
ка закрепляют вместе каким - либо способом (зажимами машины,
склеиванием эпоксидным клеем и др.). Таким образом, при растя­
гивании кабеля деформация всех элементов будет одинаковой.
При таком методе условия испытания совпадают с условиями
прокладки кабеля с плотной структурой, что и оправдывает ис­
пользование данного метода для испытаний указанных типов кабе­
лей . Результаты, полученные на коротких отрезках, пересчитыва ­
ются затем на строительную длину кабеля. Для кабелей со сво­
бодной укладкой условия испытания данным методом не совпада­
ют с условиями прокладки. Действительно, деформация элементов
кабеля со свободной укладкой во время прокладки различна на
тянущем конце (см. гл. 6) и постепенно уравнивается по мере
удаления от данного конца . Кроме того, при подготовке образца
кабеля для установки его в разрывную машину, свободно про­
скальзывающие относительно ,других элементов световоды, благо­
даря своим упругим сuойствам, принимают иное, чем в длинном
отрезке кабеля, положение. Эти несоответствия условий прокладки
и испытания могут дать ощутимую погрешность измерений - ре­
зультаты будут занижены, т. е. световоды разрушатся при мень­
ших нагрузках на кабель, чем в случае прокладки. Если же при
испытании световоды не связывать жестко на концах кабеля с
другими его элементами (оболочкой и упрочняющими элемента­
ми), а давать им возможность свободно проскальзывать при ра­
стяжении, то результаты испатания будут значительно завышен­
ными. Таким образом, описанный метод испытания для кабелей
со свободной укладкой мало пригоден.
Испытания оптических кабелей со свободной укладкой при ус-
172
LLдЗW::CJi.LiZ
rгiill8'•t..5:W.W:w=:sш .._ - . ~
i

.,1овиях, близких к натурным, можно обеспечить, используя ме­
тод, суть которого нетрудно понять из рис. 5.12 .
В каждый зажим разрывной машины закрепляется стальная
ось, на которой установлены несколько дисков радиусом, значи­
тельно превышающим допустимый радиус изгиба испытываемых
кабелей. Каждый диск может вращаться на оси независимо от
•
других дисков . На цилиндрических поверхностях каждого диска
имеются желоба для укладки кабеля. На каждый диск последова­
тельно наматывается испытываемый отрезок кабеля; концы с за­
деланными наконечниками соединяются между собой, образуя не­
сколько параллельных участков кабеля, подверженных одновре­
менному растяжению. Конструкция наконечников выбрана такой,
чтобы имелась возможность нагружать любой элемент конструк­
ции кабеля. На одном конце кабеля наконечник соединяется с
оболочкой, упрочняющим элементом и оптическими модулями, на
другом конце - только оболочкой и упрочняющим элементом. Све­
товоды через отверстия выведены наружу для контроля их це­
Jюстности. При таком способе нагрузки испытываемый кабель
наряду с растяжением подвергается изгибам и поперечному сжа-
t
тию, что достаточно хо-
1
рошо
имитирует усло-
вия прокладки в кабель­
ную канализацию .
Б
5
7
z
Рис. 5.12 . Схема установки для испыта­
ния световодных кабелей на растяжение:
J - блок (диск с желобом); 2 - ИСПhJТh•Вае­
мый кабель; 3 - изучатель; 4 - световоды:
5 - фотоприемник; 6 - наконечники: 7 - ncu
блоков
173
На разрывной машине
даН1ным методом, в зави-
Рис. 5.13 . Схема установки для
испытания кабелей: на изгиб

симости от мак,симально возможного развиваемого машиной у си ­
лия , числа дисков и ожидаемой прочности кабеля, мож,но испыты ­
вать образцы длиной до нескольких десятков метров. Получ ен ные
результаты также пересчитываются на строительную длину . С рав­
нение результатов с результатами измерений при прокладке в ка:­
белепровод дает хорошее совпадение.
Перейдем теперь к методам испытаний оптических кабе л ей н а
изгиб . В гл . 2 отмечались ситуации, возникающие во время про ­
кладки, монтажа и эксплуатации, при которых кабель испытывае т
воздействие изгибающих моментов. Условно изгибы кабеля мож­
но разделить на кратковременно и длительно существующие . Кро­
ме того, изгибы могут быть локализованы как на отдельных участ­
ках кабеля , так и распределены по всей его длине. Например ,
кратковременные изгибы на концах строительных длин кабель ис­
пытывает при монтаже и ремонте. После прокладки кабель изо ­
гнут в местах изменения направления трассы, а после монтажа
соединенные концы строительных длин кабеля выкладываются П()
форме колодца . В таком изогнутом состоянии кабель находится
длительно , в течение всего срока службы или до очередног о ре­
монта . Длительное время в изогнутом распределенном по дл ине
состоянии кабель находится также на барабане во время хране ­
ния. Наконец , кабель подвержен кратковременным изгибам после­
довательно в различных точках вдоль его длины во время про ­
кладки при прохождении поворотов трассы , кабельных колен , на ­
правляющих блоков и т . п. Совершенно очевидно, что кабель
должен быть испытан на стойкость, или прочность ко всем пере­
численным изгибам. Поскольку осуществить испытания кабеля од ­
новременно по всем «видам» изгибов сложно, можно эти испыта ­
ния разделить на несколько.
Для испытания кабеля на стойкость к длительным распреде ­
ленным по его длине изгибам це л есообразно намотать кабе л ь на
нилиндрический шаблон соответствующего размера и испытани я-­
проводить в соответствии с методикой ускоренных испытаний.
Испытания на прочность при многократных кратковременных
локализованных изгибах можно проводить с помощью устройства ,.
показанного на рис . 5.13. Устройство представляет собой два ци ­
линдрических шаблона 3 соответствующего радиуса и качающийся­
рычаг 1, к которому крепится один конец испытываемого образца,
кабеля 2. Поворачиваясь вокруг оси, рычаг изгибает кабель во ­
круг шаблонов . Чтобы кабель плотно прилегал к шаблонам , к сви ­
сающей его части подвешивается небольшой груз 4. При испыта ­
нии кабеля со свободной укладкой испытываемый образец дол ­
жен иметь большую длину (можно использовать часть строитель -­
ной длины кабеля, не отрезая ее от остальной части), а на закре -­
пленном на рычаге конце кабеля световоды должны скреплятьс я,
эпоксидным клеем вместе с другими элементами кабеля .
Если целью испытания кабеля является определение его проч ­
ности при заданном числе изгибов, то после осуществления этого ,
числа изгибов образец снимают с установки и исследую,r на соот --
174

..
ветствие критериям годности . Если же целью испытания является~
определение прочности при многократных изгибах, или допусти ­
мого числа гзгибов, образец изгибают до наступления отказа -
изменения затухания или обрыва одного из световодов или по ­
вреждения оболочки. В данном случае для того, чтобы зарегист­
рировать число изгибов при возникновении отказа, необходим о·
непрерывно контролировать затухание и целостность световодов.
С этой целью образец кабеля закрепляют на устройстве таким
образом, чтобы к концам его можно было подключить излучатель­
и фотоприемник.
Более совершенное устройство для определения допустимого·
числа изгибов или прочности при многократных изгибах пок а зано ·
на рис . 5.14 . Здесь образец кабеля подвергается изгибам последо ­
нательно в различных точках вдоль его длины . На тележке 3, со­
вершающей возвратно-поступательное движение , укреплены дв а
iiаправляющих ролика 2 соответствующего радиуса . Испытыва ­
емый образец кабе.'!я 1 проходит через ролики и блоки таким об ­
разом , что за один проход тележки он изгибается в двух противо ­
положных направлениях . Натяжение кабеля осуществляется гру ­
зами 4. Продольное перемещение кабеля ограничивается закреп ­
ленными на нем упорами 5. Контроль затухания и целестност и
световодов производится с помощью излучателя и фотоприемника ,
подключаемых к концам образца .
Испытание оптического кабеля на поперечное сжатие можн о
выполнять несколькими способами. Кабель размещают между дву ­
мя плоскими металлическими пластинами, к которым прикладыва ­
ются сжимающие силы . Для создания силы сжатия могут исполь ­
зоваться груз, разрывная машина со специальными зажима м и ,
рычаг и т . д . Основное внимание при этих испытаниях следует
уделить правильному выбору радиуса закругления краев сжи м а ­
ющих пластин, от чего в значительной степени зависит достов е р ­
ность получаемых результатов .
4-
Рис. 5.14 . Устройство д ля испытания кабелей на много­
кратные изгибы
Рис. 5.15 . Схема установки для испытания
--+
кабеля на удар
175
г
-,
1
1
1
1
4-

Прочность . кабелей при ударе также может проверяться раз­
личными способами. Наиболее распространенным является испы­
тыние с помощью падающего шара. На рис. 5.15 схематически по­
казана установка, в которой удар осуществляется падающим мас­
сивным грузом 2, скользящим по направляющей 1. Груз падает на
шаблон 8, касающийся своей цилиндрической поверхностью по-
верхности испытываемого образца кабеля 4. Контроль целостно-
~
сти и затухания при испытании на ударную прочность можно про­
изводить после каждого удара, что исключает необходимость не­
прерывного контроля, требующего подключения источника и фо·
топриемника во время испытаний и усложняющего процедуру ис­
пытаний.
Глава 6. ВОПРОСЫ ПРОКЛАДКИ
И МОНТАЖА ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ
6.1 . МЕТОДЫ ПРОКЛАДКИ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ
ПРОКЛАДКА ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ
Общим требованием , предъявляемым к методам прокладки оп­
тических кабелей на различных участках общегосударственной
сети, является максимальное их приближение к методам и тех­
нологии прокладки обычных проводных кабелей. Выполнение это­
го требования позволяет сократить сроки разработки и внедрения
оптических линий связи , а также уменьшить затраты на их созда­
ние. Поэтому основные принципы прокладки совпадают с традици­
онными, а специфика ее связана лишь с величинами механических
и геометрических параметров, а также массой оптического кабеля,
которые значительно отличаются от соответствующих параметров
проводных кабелей. В данном параграфе основное внимание будет
уделено специфической стороне методов прокладки.
Процесс прокладки оптического кабеля в телефонную канали­
зацию состоит из двух этапов: подготовительного и собственно
прокладки (затягивания кабеля в канал). Подготовительный этап
включает входной контроль кабеля на кабельной площадке, груп ­
пирование строительных длин и подготовку телефонной канализа ­
ции . Входной контроль заключается в общем осмотре кабеля и из­
мерении параметров, контроль которых предусмотрен руководст­
вами на строительство линий ГТС (см. также § 5.1). Группирова­
ние производится из соображений прокладки на регенерационном
участке идентичных по параметрам кабелей и соответствия стро­
ительных длин расстоянию между смотровыми устройствами ка­
бельной канализации. Строительные длины группируют по зату­
ханию, при необходимости по апертуре и отклонениям от геомет­
рических параметров световодов.
Подготовка кабельной канализации производится в соответст­
вии с общими нормами и способами, существующими для линей­
ных сооружений ГТС [6.1, 6.2]: каналы проверяются и в них затя­
гиваются стальные канаты или проволока.
176

Возможны три варианта прок.~1адки оптического кабеля в
кабельную канализацию :
в свободном канале;
в подканалах - полиэтиленовых трубах диаметром 30 ... 40 мм,
предварительно затянутых в канал (3-4 шт . );
в частично заполненный другими кабелями канал.
В каждом варианте подготовка канализации в процесс затяги­
вания каnеля в каналы несколько отличаются . Первый вариант -
наиболее простой и надежный как при прокладке, так и в эксплу ­
атации. Кабель в этом случае менее всего подвержен механиче­
ским нагрузкам. Однако использование канала для одного кабе­
JJЯ экономически мало эффективно. Второй вариант также обес ­
печивает качественную прокладку в подканал (пустой) и боль­
шую надежность в эксплуатаuии . Появление такого варианта свя­
зано с тем, что при прокладке в частично заполненный канал име ­
ется вероятность изгиба и переплетения с другими кабелями, со­
дер ж ащимися уже в канале . Затягивание в канал нового кабеля,
где у же проложен оптический кабель , также может отрицательно
сказаться на последнем. Поэтому разделение канала на подкана­
лы позволяет прокладывать кабели без воздействия на уже про­
ложенные. Вариант такой прокладки описан в [6 .3].
В четырехдюймовый кабельный канал были затянуты три од­
нодюймовых трубки, хотя канал по диаметру позволяет затянуть
четыре трубки. Отмечается , что такое решение принято и з -за не ­
соосности труб кабельного канала на стыках, затрудняющей или
в овсе исключающей прокладку четырех трубок . В трубку с по­
мощью приспособления, напоминающего парашют , под воздейст­
вием воздушного потока, подаваемого с напором, протягивался
нейлоновый шнур. Кабель, диаметром 8 мм , покрытый смазкой, с
п омощью шнура затягивался в трубку.
Такой вариант прок,r~адки наряду с положительными сторонами
имеет и недостатки, связанные с малым коэффициентом заполне­
ния кабельного канала и дополнительными затратами на подготов­
ку канализации (стоимостью полиэтиленовых труб, затратами на
работы по затя г иванию в каналы труб и т . п.). Из-за этих недо­
статков данный вариант может оказаться экономически неэффек­
тивным или в лучшем случае быть лишь полезным на стадии раз ­
вития оптической кабельной техники , когда надежность кабеля не­
достаточно высока .
Наиболее естественным является третий (традиционный ) вари­
ант прщотадки при условии улучшения со временем механических
и эксплуатационных характеристик кабелей и прокладки в одном
кабельном канале только оптических кабелей .
Рассмотрим вопрос собственно самой прокладки оптических
кабелей в канал. В целом методы затягивания оптических кабелей
в ка нал не отличаются от прокладки электрических кабелей . Од­
нако имеется некоторая спенифика , связанная с механическими
свойствами этих кабелей и с необходимостью прокладки возмож­
но больших строительных длин для уменьшения числа соединений.
i 2-1149
177

Если строительная длина такова, что при прокладке сила натяже­
ния близка к допустимой продольной нагрузке на кабель, то сле­
дует принимать меры, чтобы в процессе прокладки при сл у чайны х:
рывках кабель не был поврежден. Для этого во время затягива­
ния в канал необходимо контролировать силу тяжения и пр и не­
обходимости ее ограничивать. Динамометр, устанавливаемый на
тянущем конце каната, может дать большую погрешность, та к как
сам канат имеет значительное трение с каналом . Поэтому ко нт ­
роль осуществляется дистанционным датчиком , устанавливаемым
между тянущим канатом и кабельным чулком (кабельным нако­
нечником) или между канатом и компенсатором кручени.я , если
такой установлен. Сигнал с дгтчика поступает на регистрирующий
прибор (при ручной прокладке) или исполнительный механизм .
останавливающий электродвигатель лебедки, тянущей канат.
Для улучшения условий затягивания кабеля в канал прини­
маются меры по уменьшению силы тяжения и ее флуктуации при
прокладке. С этой uелью производится принудительное сматыва­
ние кабеля с барабана, установленного у входного колодца, сни­
жается коэффициент трения между кабелем и стенками канала и
уменьшаются по возможности усилия, возникающие при измене­
нии направления движения кабеля в колодцах : Уменьшение тре­
ния в канале до настоящего времени осуществляется нанесением
на кабель минеральных масел. Однако они вступают в химиче .а.
скую реакцию с оболочкой кабеля, проявляют выраженный эф­
фект адгезии при прокладке легких кабелей, таких как оптиче-­
ские. Сейчас ведутся поиски новых веществ. Большинство веществ
наносятся на кабель обычным способом [6.3]. Появились сообще­
ния об использовании напыления минеральных масел в виде тон­
кой однородной пленки, которая не дает нежелательных явлений.
Наиболее радикальным способом уменьшения опасных пере ­
грузок и увеличения длины затягиваемого в канал кабеля являет­
ся распределение усилия натяжения вдоль его длины. Прокладку
ю1беля с использованием такого способа н азывают промежуточ­
ной прокладкой. В данном случае в соответствующем колодце­
устанавливается механизм промежуточной протяжки для умень-­
шения нагрузки на начальном конце кабеля. При необходимости
можно установить два или более промежуточных механизма. Схе ­
ма промежуточной прокладки представлена на рис. 6.1 .
Механизм промежуточной протяжки (или промежуточная ле-­
бедка) размещается и закрепляется в промежуточном кабельном
колодце. Выбор колодца производится из расчета снижения на­
грузки на тянущем конце кабеля до требуемой величины. В техно-­
логии прокладки используемой фирмой NTT [6.4] промежуточная
лебедка состоит из двух резиновых ремней для захвата и протяж­
ки кабеля, механизма привода, редуктора и двигателя постоянно­
го тока .
Промежуточные лебедки пригодны для кабелей различных диа­
метров и имеют устройство для регулировки усилий сжатия кабе­
ля. Основным средством затягивания кабеля является канатна ю
178

б
!Z
11
то
9
в
7
Рис. 6.1. Схема промежуточной прокладки оптического кабеля в телефонную
канализацию:
1 - ги б кий полиэтиленовый шланг; 2 - барабан с кабелем; 3 - управляю1ций генератор;
4 - устройство регулирования; 5 - выключатель; 6 - тяговая канатная лебедка; 7 - канат ;
.В - н а конечник с компенс а тором кручения; 9 - промеzкуточная лебедка; 10 - оптический
кабель; 11 - каб ельные каналы: 12 - кабельный колодец
лебедка с электроприводом. Маr,симальная нагрузка на кабель
устанавливается до прокладки и процесс затягивания в канал ав­
томатически прекращается, как только натяжение превышает уста­
ловленный уровень. Включение и скорость протяжки канатной и
промежуточных лебедок должны быть синхронизированы со ско­
ростью сматывания кабеля с отдающего барабана. Для этого пре­
дусмотрена система регулировки с датчиками натяжения кабеля,
которые представляют собой л,ва изогнутых рычага, образующих
петлю. Через петлю пропускается кабель, который при нормаль­
ном натяжении не касается рычагов. При провисании кабеля воз­
никает нагрузка на рычаги и они отклоняются, выключая соответ­
ствующий двигатель. После устранения провисания двигатель ав­
томатически включается. Датчики натяжения кабеля устанавли­
ваются в колодцах последовательно с промежуточными лебедками
вдоль канализацип.
.
Проведенная фирмой опытная про1,ладка дала положительные
результаты - в про ложенном кабеле не было обнаружено увели­
-чения затухания. Прокладка осуществлялась на трассе длиной
18 км, разбитой на участки со средней длиной 1300 м и макси­
мальной длиной 2500 м. Выбросы величины натяжения кабеля
при прокладке не превышали 15 ... 20% максимального значения.
Простой способ проr,ладки, позволяющий вдвое увеличить дли-
•
ну прокладываемого оптического кабеля, предложен фирмой
Pacific Telephony. Кабельный барабан имеет оригинальную кон­
•струкцию: разделительная перегородка по середине шейки
(рис. 6.2, а) делит его на две секции. Середина кабеля изгибается
по дуге с радиусом, не меньше допустимого для данного типа
1,абеля ,' и закрепляется на шейке. На барабан в одну сторону на­
матывается кабель длиной, вдвое большей той максимальной дли­
ны, которая может быть проложена обычным способом. Барабан
устанавлинается у колодца, находящегося посередине участка,
:между крайними колодцами которого необходимо проложить дан­
н у ю строительную длину. Концы кабеля заводят в каналы про­
тивоположного направления и затягивают обычным способом
, (рис. 6.2, 6). Для этого у крайних колодцев устанавливаются тя-
J2*
179

а)
1
1
---Е}-----'
2
о)
Рис. 6.2 . Прокладка кабеля с использованием двухсекционно­
го барабана:
а - двухсекционный барабан (1 - кабель; 2 - шейка бара­
бана, 3- перегородка); 6 - · сх е м а
затягивания кабеля в ка-
нал (1- кабель; 2 - колодец; 3 - канал)
r·овые лебедки, которые одновременно и синхронно затягивают
каждую половину строительной длины кабеля. При этом для син­
хронности затягивания команда поступает с места установки ба­
рабана. Такую систему для прокладки нетрудно полностью меха­
низировать и автоматизировать.
Рассмотрим теперь методы прокладки оптических кабелей не­
посредственно в грунт. Прокладка кабелей связи в грунт, как пра­
вило, проIIзводится кабелеукладочными механизмами. В тех слу­
чаях, когда применение кабелеукладчиков затруднено из-за слож­
ного рельефа местности, наличия уличных покровов и подземных
сооружений, осуществляется предварительная разработка тран­
шей. Поэтому на городских телефонных сетях, где кабель необхо­
димо проложить непосредственно в грунт (окраины, пригороды) ,
исполь,уют обычно прокладку в предварительно открытую тран­
шею. С точки зрения применимости к оптическим кабелям спосо­
бы прокладки в готовую траншею кажутся более приемлемыми,
так как при применяемой в этих способах ручной укладке кабеля
вероятность рывков и чрезмерных натяжений меньше.
Существуют несколько способов прокладки в траншею. На
местности, где во-зможно передвижение кабельного транспорта, 11
кабель разматывают с барабана, установленного на транспорте ,
опуская сразу в траншею или укладывая рядом вдоль траншеи.
Данный способ наиболее благоприятный для прокладки оптиче-
ского кабеля, так как при принудительном равномерном вращении
барабана разматывание его происходит при минимальном натя­
жении, а строительная длина прокладываемого кабеля не ограни­
чивается допустимой растягиRающей нагрузкой, как при проклад-
ке в канализацию. В данном случае максимальная строительная
длина будет определяться в основном возможностями производ-
ства.
Если же передвижение кабельного транспорта вдоль траншеи
невозможно, то разматывание кабеля осуществляют с барабана.
180

1
установленного у конца траншеи на козлах или кабельной тележ-
. ке,
стоящей: на месте . При этом разматывание может вестись с
помощью леб _едки и тянущего троса путем протаскивания кабеля
по поверхности грунта вдоль траншеи или, если траншею пересе­
кают подземные сооружения, по специальным роликам, установ­
J1 енным на дне траншеи . Данный вариант более тяжелый в смысле
нагрузок, действующих на кабель . Максимальная строительная
длина, которую можно при этом проложить, определяется допу­
стимой растягивающей нагрузкой кабеля, в связи с чем данный
способ уступает предыдущему. Однако если размотку с барабана
вести с выноской кабеля вручную, когда рабочие разносят его
вдоль траншеи на плечах или в руках, строительная длина также
не будет ограничиваться допустимой растягивающей нагрузкой.
Здесь ограничение накладывает число рабочих, участвующих в
прокладке. В практике прокладки кабелей связи в грунт приме­
няется размотка кабеля методом «петли», который позволяет уве-
' личить строительную длину в 2-3 раза при этом же числе рабо­
чих [6.2]. Во всех рассмотренных вариантах барабан должен вра­
щаться принудительно и равномерно .
Таким образом, из приве7J,енных общих соображений можно
заключить, что рассмотренные способы прокладки кабеля в пред­
варительно отрытую траншею могут применяться для прокладки
оптических кабелей больших строительных длин . Исключение со­
ставляет лишь прокладка в траншею с подземными препятст­
виями .
Применение для прокладки кабелеукладчиков по сравнению с
прокладкой в готовую траншею более эффективно , так как сокра­
щает трудоемкость в 15-25 раз [6.5]. Работа кабелеукладчиков
основана на расклинивании грунта специальными ножами до глу­
бины 1,5 м. На одном из ножей укреплена кассета , которая бу­
дучи заглублена в щель, направляет сматываемый с барабана ,
установленного на кабелеукладчике, кабель и укладывает его
на дно щели. Прокладка с помощью кабелукладчика в некоторой
степени напоминает укладку кабеля в предварительно отрытую
траншею с движущегося кабельного транспортера или грузовика .
Если размотка кабеля с барабана на кабелукладчике прои з во­
дится принудительно и равномерно и кабелеукладчик также дви­
жется равномерно, то на кабель, как и в случае прокладки в тран­
шею, почти не действует растягивающая сила . На него действует
только изгибающий момент при прохождении кассеты . На первый
в з гляд . может показаться, что при прокладк е кабелеукладчиком
также нет ограничений на прокладываемую строительную длину
со стороны допустимой растягивающей нагрузки кабеля. Однако,
как будет показано ниже, такие ограничения имеются из-за воз ­
~rожных рывков, возникающих при пересечении ножом кабеле ­
укладчика скрытых препятствий - корней деревьев, камней и пр .
Величина и вероятность появления этих рывков зависит от кате­
гории грунта, глубины и скорости прокладки, типа используемых
кабелеукладчиков и тяговой силы тянущих его тракторов .
181

Как было показано в гл. 2, от глубины заложения оптического
к абеля зависит температурный режим эксплуатации линии (см.
(2.11)) и ее механическая устойчивость. Долговременная механи­
ческая устойчивость линии связи может обеспечиваться в грунте
на глуб пне ниже уровня промерзания, а также в устойчивых про­
мерзающих слоях грунтов, не подверженных мерзлотным дефор­
мациям . Следует ожидать, что долговременная механическая
устойчивость может быть обеспечена и в слабопучинистых грунтах
в результате проведения традиционных противопучинистых меро­
приятий. Исходя из этих общих положений, еще трудно сформу­
лировать четкие рекомендации о глубине прокладки опт~ческих
кабелей, так как в настоящее время еще не накоплен опыт их про­
клад~ш и эксплуатации. Но все же можно ожидать, что оптималь­
ные значения глубины прокладки в различных условиях не будут
значитеJ1ьно о~:личаться от существующих норм глубины проклад­
ки электрических кабелей. Например, кабели междугородной свя­
зи симметричные и коаr,;сиальные в грунтах I - IV категорий про­
кладываются на глубину 0,9 ... 1,2 м. Создание тягового усилия,
нео бходимого для перемещения, кабелеук ладчика, укладывающего
кабель на такую глубину, в грунтах I - III категорий производится
несколькими тракторами. Для прокладки в этих грунтах оптиче ­
ских кабелей, имеющих малую массу, можно использовать легкие
I<абелеукладчики типа ЛКУ-61, КУ-2, КУ-4.
Существующая кабелеукладочная технин:а не может в полной
мере соответствовать требованиям прокладки оптических кабелей.
Потребуется ее модернизация и совершенствование, способствую -·
щие повышению качества поокладки - снабжение механизмами
для размотки кабеля с бараб·анов, регуляторами натяжения про­
кладываемого кабеля, устройствами контроля глубины его зало ­
жения и сигнализации о наличии подземных коммуникаций на
трассе, лазерными системами контроля прохождения трассы и др.
В указанных направлениях уже ведутся работы.
Дальнейшее сонершенствоеание методов и техники прокладки
связано с пониманием возникающих при этом в кабеле сил и де­
формации.
дЕРIСТВУЮЩИЕ СИЛЫ И ДЕФОРМАЦИЯ КАБЕЛЕРI ПРИ ПРОКЛАДКЕ
В гл . 2 уже затрагивался вопрос о силах, действующих на
кабель при прокладке. По формулам (2.1) и (2.2) можно опреде­
.пить продольное растяжение кабеля при прокладке на прямых и
изогнутых участках телефонной канализации. Как видно из этих
формул, растягивающее усилие, действующее на кабель при про­
I~ладке, определяется в основном его массой, длиной и коэффици­
ентом трения. Зная допустимое усилие на растяжение, нетрудно
рассчитать строительную длину кабеля, которую можно проло ­
жить в канализацию . Допустимое растягивающее усилие зависит
от допустимой деформации кабеля, которая в свою очередь опре­
деляется допустимой деформацией световодов. Пр11 выводе этих
182

------------ ~----------
зависимостей предполагалось, что усилие прикладывается только
к центральному элементу, а допустимая деформация кабеля рав­
на деформации упрочняющего элемента, т. е. отсутствует про­
скальзывание между сердечником кабеля и его оболочкой. На
практике же большая часть конструкций кабелей состоит из эле­
ментов, проскальзывающих друг относительно друга, благодаря
чему каждый элемент будет по-разному деформироваться в зави­
симости от того, как прикладывается нагрузка к кабелю. Поэтому
для выбора оптимальных способов прокладки необходимо рассмо­
треть, как влияют различные варианты приложения сил на дефор­
маuию элементов кабеля.
Для анализа деформации рассмотрим обобщенную упрощен­
ную модель кабеля, состоящую только из трех компонентов: це0нт­
рального упрочняющего элемента, слоя световодных модулеи и
оболочки [6.6]. Нетрудно записать уравнение равновесия сил _ лю 0
бого компонента модели и найти распределение ее деформации
вдоль кабеля при разных вариантах приложения растягивающей
силы. При этом следует учесть силу взаимодействия (трения )
между компонентами и между оболочкой и грунтом (стенкой
кабельного канала). Картина взаимодействия между компонента­
ми достаточно сложная. Поэтому для упрощения можно принять,
что сила трения на единицу длины, действующая на элемент кабе­
ля со стороны соседнего элемента , пропорциональна расстоянию
проскальзывания между точками соседних элементов . Приведем
здесь общие выводы, вытекающие из решения такой задачи .
Если все три компонента кабеля жестко связаны и между ними
не имеется проскальзывания, то в пределах допустимой дефор­
мации световодов распределение деформации кабеля е вдоль его
длины во время прокладки изображается графиком рис . 6.3 . Вид
графика не изменяется в зависимости от того, к одному или ко
всем одновременно элементэм прикладывается сила тяжения.
Как видно из рисунка, удлинение кабеля максимально на конце
кабеля, к которому приложена растягивающая сила, и уменьшает­
ся пропорционально расстоянию l от этого конца.
В кабеле, у которого оболочка свободно может проскальзывать
относительно остальных компонентов, при тяжении всех компонен­
тов вместе распределение деформации принимает вид, представ-
Рис. 6.3. Деформация кабеля
с жестко связанными элемен ­
тами при прокладке
&,%
Рис. 6.4 . Деформация кабеля·
со свободной оболочкой поиr
прокладке
183

ленный кривыми на рис. 6.4, где верхняя кривая соответствует
оболочке, а нижняя - упрочняющему элементу с оптическими мо­
дуJJями. Деформация оболочки оказывается немного больше де­
формации упрочняющего элемента в области, прилегающей к ме­
сту прикладывания силы тяжения.
Деформация элементов кабеля в случае, когда сила тяжения
п ри прокладке приложена только к оболочке, а все компоненты
кабеля могут свободно проскальзывать относительно друг друга,
показана на рис. 6.5 . Здесь заметно возрастает деформация обо­
лочки, а световоды и упрочняющий элемент деформированы в на­
чальной о6JJасти незначительно. Однако даже при значении силы
т.яж,ения меньше допустимой, определяемой суммированием уси­
лий на каждом элементе, возможны случаи, когда деформация
.оболочки выходит за предел упругости. При таких явлениях экс­
плуатация оптического кабеля недопустима.
Рассмотрим вариант промежуточной прокладки . В этом случае,
наряду с силой, приложенной ко всем компонентам в начале кабе­
ля А , в том же направлении в промежуточной точке В приклады­
вается сила к оболочке (рис. 6.6, а). Эта сила через оболочку за
счет трения передается к центральному элементу. Из рис. 6.6, 6
видно, что в районе приложения промежуточной силы оболочка
кабеля (кривая 1) имеет как положительную деформацию (растя­
жение), так и отрицательную (сжатие), а центральный упрочня­
ющий элемент вместе с оптическими модулями (кривая 2)- не­
большую положительную деформацию. Максимальная деформа­
ция оболочки меньше половины той, которая наблюдается в слу­
чае, когда сила приложена к начальному концу кабеля только к
оболочке (см. рис. 6.5).
Описанные примеры отражают лишь качественнуй характер по­
ведеш~я кабелей при прокладке, однако позволяют заключить, что
наиболее безопасным вариантом является одновременное прило­
жение сиJJы тяжения к усиливающему элементу и оболочке, а
также использование промежуточной прокладки, которая позво-
Л L___ .- L,__
_
Z.1...-_
_,,J_
_
lt.,__7l, -o.~в.
Рис. tб .5. Деформация кабеля
со свободно проскальзываю­
щими элементами при про­
кладке (сила тяжения прило-
жена к оболочке)
~-----,:Ji=·il----___.j
А
б
Е,%
0,05
'z
ОА
-о,а5
-а,т
а)
в
1
1
1
1
б)
Рис . 6.6 . Дефор ма ция кабеля при пvо­
межуточной nрокладке
I

z
J4-5
б
Рис. 6.7. Наконечник дая протягивания кабеля с плотной упаковкой
Рис. 6.8 . Наконечннк для протягивания кабеля со свободной укладкой
световодов
ляет прокладывать кабель длиной, пропорциональной числу про­
межуточных точек приложения сил тяжения.
Приведенные соображения справедливы и для варианта про­
кладки кабеля в грунт в предварительно отрытую траншею, когда
кабель разматывается с неподвижно установленного на козлах
барабана и протаскивается за о.дин конец по поверхности грунта
вдоль траншеи или по дну траншеи .
На основе полученных выводов были разработаны [6.6] нако­
нечники, устанавливаемые на концы кабелей (рис . 6.7 и 6.8) .
К наконечнику крепится канат , с помощью которого кабель затя­
гивается в канал . Конструкция каждого наконечника обеспечива­
ет во время прокладки нагружение как упрочняющих . элементов ,
так и оболочек кабелей. Наконечник, ·показанный на рис . 6.7 , пред­
назначен для кабелей с плотной упаковкой (бе;з взаимного про­
скальзьшания элементов). Наконечнйt( ·крепится к 1(абелю ф лан-
~ цем 6, состоящим из двух частей, стягиваемых болтами . В спе­
циа J1ьных фигурных вырезах фланца закрепляются с натяжением
упрочняющие кабель нити 4. Затем на фланец устанавливается и
прикручивается винтами 5 защитная трубка 3, на которой , в свою
очередь , укрепляется колпак 1 с отверстием для тянущего каната.
Концы световодов 2 в трубке лежат свободно . . • · .
_
.
.
Аналогичная конструкция наконечника для кабелей со свобод­
ной у кладкой световодов . и взаимным проска·льзыванием всех эле­
ментов представлена на рис. б.8. Отличие от rфедьrдущего вариан­
та з аключается в конструкции фланца 5 и колпака 1, имеющего в
данном случае пластину 2 с прижимным хомутиком 8 для крепле ­
ния центрального упрочняющего элемента 7. Сначала на конец
13-1149
185

кабеля одеваются фланец 5, трубка 3 и отрезок термофитной тр у б -
ки 6 таким образом , чтобы был свободный доступ к центрально -
му элементу . Колпак с помощью хомутика 8 крепится к централь -
ному элементу , а трубку 3 перемещают к колпаку и закрепляю т
на нем винтами . Затем к трубке крепится винтами 4 фланец, на
него надвигается терJ1,,iофитная трубка и нагревом усаживается ,
обеспечивая надежное сцепление кабельной оболочки с фланцем. 1
Наконечники , изображенньiе на рис. 6.7 и 6.8, использовались
для прокладки кабелей строительной длиной 200 ... 900 м с плот ­
ной и свободной укладкой световодов в условиях городской теле ­
фонной канализации [6 .7] . При этом использовался ручной метод
прокладки . Кабель прокладывался в свободных и занятых кана ­
лах, а также в коллекторах . Скорость протяжки не превышала
0,5 м/с . Во время прокладки контролировалось натяжение кабеля .
Разрушения световодов во время прокладки не было обнаружено
на всех 28 проложенных строительных длинах кабеля. Измерялись
также потери перед прокладкой и сразу же после нее. В целом
прокладка дала положительные результаты, что позволило сде ­
лать вывод о пригодности описанных конструкций наконечников .
Успешное применение наконечников для прокладки, конструк­
ции которых разработаны на основе тех же принципов, описано
в [6 .8]. На рис. 6.9 и 6.10 представлены их конструкции.
Представляет интерес конструкция наконечника для кабеля,
где упрочняющие элементы накручены вокруг сердечника кабеля
(рис. 6.11) . Упрочняющие нити 4 из кевлара скреплены эпоксид ­
ной смолой 5 с внешней оболочкой кабеля и внутренними оболоч­
ками для предохранения от скручивания кевларовых нитей. Сво­
бодный конец нитей скреплен через металлическую проволочную
петлю со стальным кольцом 7, к которому в свою очередь при­
соединен тянущий трос 2. Оптические соединители ( в данном слу-
7
2
Jч- 5
б
//=~
13
TZ
11
/О9В
7
1
zJ
4-
fj
то
g
в
7б
186
Рис . 6.9 . Наконечник для
протягивания кабеля со
стальными упрочняющи •
ми элементами:
1 - кабель;
2 - упрочняю•
щие элементы; 3 - шайбы ;
4иВ-гайки;5и/3-
уплотнения; 6 - заглушка;
7 - проушина с гайкой; 9-
кольцо: 10 - конус; 11 -
стальной кожух ; 12 - угл у-
бление обжатия
Рис. 6.10. Наконечник
для , протягивания кабе­
ля с упрочняющим эле­
ментом из пластика, ар·
мированного волокнами :
1- кабель;
2 - зажимное
устройство;
3 - упрочняю •
щий элемент; 4 и 10 - уп•
лотнения; 5 - заглушка; 6-
проушнна с гайкой; 7 - гай •
ка : 8 - стальной кожух; 9-
углубление обжатия
•

1
z
3
4-
7
б
5
Рис. 6.11. Наконечник для протягивания кабеля с упрочняющими
элементами, накрученными на сердечник кабеля
чае разъемные) защищены пористой резиной 3. Поверх конструк­
ции надета термофитная трубка б, которая после термоусадки слу­
жит защитой от загрязнения. Кроме того, термоусаживающаяся
трубка плотно обжимает стальное кольцо и предохраняет от меха­
нического повреждения оптические соединители во время прекра­
щения натяжения каната. Для этой цели на передний конец тер­
мофитной трубки установлен зажим 1. Данная конструкция нако­
нечника использовалась фирмой Canoga Data Systems [6.9] для
прокладки в телефонную канализацию кабеля, содержащего два
световода.
В завершение отметим, что традиционные в практике проклад­
ки электрических кабелей устройства крепления тягового каната к
концу кабеля - кабельные чулки в настоящее время находят все
большее применение. Основываясь на приведенных выше сообра­
жениях можно ожидать, что эти устройства будут наиболее эффек­
тивны для оптических кабелей плотной структуры, когда оболочка
жестко связана с упрочняющими элементами.
.
.
Рассмотрим теперь, какие силы действуют на кабель при про~
кладке в грунт кабелеукладчиком . Продольная нагрузка на кабель
может быть ориентировочно вычислена по формуле (2.5), если из~
вестен динамический коэффициент fд· Однако больший интерес
представляет действующее на кабель максимально возможное ра~
стягивающее усилие, так как именно оно позволяет установить
•
требование на допустимое растягивающее кабель усилие . В связи
с этим рассмотрим наиболее тяжелый случай - рывок кабеля во
время прокладки. Такой рывок может произойти при застопорива­
нии ножа кабелеукладчика на каком-нибудь твердом препят­
ствии, после преодоления которого нож почти мгновенно осво•
бождается.
Допустим для упрощения, что при застопоривании ножа кабе­
леукладчик вместе с тянущим его транспортным средством имеет
нулевую скорость. В момент преодоления препятствия (например,
перерезания препятствия ножом) система «транспортное средст­
во -- кабелеукладчик- барабан» обретает ускорение :
а =Fт/(mтр+mк у +mб.к)'
187

где Рт - сила тяги транспортного средства; mтр - масса транс­
портного средства; тку - масса кабелеукладчика; тб.к - масса
барабана с кабелем . Это справедливо в предположении, что сразу
же после разрушения препятствия нож не встречает сопротивле­
ния грунта.
Момент силы F 1, натягивающей кабель и приводящей во вра-
щение барабан, М6.к = J6.к _!!:_,
rде J6,к - момент инерции бара-
Г2
бана с кабелем; r2 - радиус намотки кабеля на барабане. В то
же время можно записать, что сила F1 создает момент Мб . к = F 1r 2•
Из приведенных выражений получаем
m6.,Fт (ri + Г§)
F1 = -----------
2(mтр+тку+тб.к)r~
(6.1)
где r 1 - радиус шейки барабана.
Здесь для упрощения принято Jб.к= т~.к И+ r~), что не при­
водит к значительным погрешностям. Чтобы определить усилие,
которое кабель испытывает на выходе из кассеты кабелеукладчи­
ка, следует учитывать трение в кассете, воспользовавшись выра­
жением (2 .6) , где за усилие тяжения кабеля на входе кассеты
примем силу F 1. Тогда из выражения (6.1) имеем :
тб.кFт (ri + г~)
F2 = ---------- e'ff.
2 (mтр +тку+ mб,к) Г~
(6 .2)
Сила F2, как нетрудно видеть, зависит от массьi и размеров
б арабана и кабеля. Следовательно, при заданных массе и диамет ­
ре кабеля немаловажное значение для успешной прокладки имеет
выбор номера (размеров) кабельного барабана, с которого сматы­
вается кабель во время прокладки . Кроме того, имеет значение,
какая часть строительной длины прокладываемого кабеля нахо­
дится на барабане во время рывка , Наиболее ощутимы рывки, ког­
да почти вся строительная длина находится на барабане .
Расчет по формуле (6 .2) показывает, что для кабеля со стро­
ите.ш,ной длиной 1 км, диаметром 10 ... 16 мм и массой 150 ... 160кг,
прокладываемого с помощью кабелеукладчика КУ-2, двух тракто­
ров T-l00M и кабельных барабанов N8 или Nl0, сила растяжения
при рывке не превышает 1200 Н, При этом не следует забывать ,
что при выводе выражения (6 ,2) принимались самые жесткие до­
пущения. В реальных условиях действующие на кабель нагрузки
во в ремя рывков заметно меньше. · Следовательно, можно ожи•
дать, что силы, возникающие во время механизированной проклад­
ки оптического кабеля n грунт, при указанных условиях не будут
значительно отличаться от сил, возникающих при прокладке в
траншею.
188
---

6.2 . СПОСОБЫ МОНТАЖА
ПОТЕРИ ПРИ СОЕДИНЕНИИ СВЕТОВОДОВ
На ранних . этапах развития оптических линий связи для соеди­
нений строительных длин кабеля в основном использовались разъ-,
емные соединения, что определялось невысоким уровнем техноло­
гии неразъемных соединений, а также возможностью при создании
разъемных соединений дополнительно взаимно центрировать све-.
товоды, имевшие в то время значительный разброс геометрических
параметров. Возросший уровень технологии создания световодов и
их сращивания, высокая стабильность при длительной эксплуата­
ции и низкие потери опр~целили исключительное применение при
монтаже оптических кабелей на линиях связи сращивание сваркой.
Основной характеристикой, определяющей качество разъемного
или неразъемного соединения, является вносимое затухание. Вели­
чина затухания зависит от свойств самих соединяемых световодов
и от параметров, связанных с особенностями методов соединения .
К первым относятся разброс таких параметров, как диаметр сер­
дечника, числовая апертура, профиль показателя преломления,
соосность сердечника и оболочки и др. Ко вторым относятся -
поперечное смещение сердечника световодов, угол наклона между
их осями, расстояние между торцами, величина френелевского от­
ражения от торцов и их ,угол наклона к оси световода. Однако
имеется еще одна группа параметров, от которых зависят потери
в соединениях - тип источника излучения, длина световода от
источника до места соединения, а также число и взаимное распо­
ложение других соединений. Эта группа параметров определяет
условия измерений . Определение потерь в соединениях , таким об ­
разом, связано с созданием определенных неизменных условий при
нзмерениях. Такие условия обеспечиваются, как мы 'видели в гла ­
ве J 5, созданием равновесного распределения мод . Поэтому в даль ­
нейшем будем считать , что величина потерь в соединении , связан ­
ная с каким-либо параметром световода или способом соединения
di, г------г---.----~-~
до
А
Рис. 6.12 . Зависимости за­
тухания в соединениях гра­
диентных
световодов от
разлюшых факторов
определяется при равновесном распре-
делении мод.
Определение потерь в соединении
ступенtfатых световодов производи тся
по величине мощности, получаемой
приемным световодом от излучающе ­
го. Принятая мощность определяется
по взаимному переК1рыванию площа­
д,ей торцов (сердечников) и телесных
углов обоих световодов . Для гради­
ентного световода приемный угол све­
товода изменяется по сечению сердеч­
н~ика . В связи с этим затухание вы­
числяют двойным интегрированием
функций, опи,сьшающих пер,екрытие
по площади ·сечения и по углу прини­
мающего световода .
189

На рис . 6.12 представлены вычисленные зависимости затухания
в соединении, возникающие по различным причинам при равновес­
ном распределении мод градиентных световодов {В.5]. Кривая А
соответствует зависимости затухания от поперечного смещения Ла
осей световодов, т . е . ада = ' f (Ла/а), а также зависимости
а:е = 0;V2л, где е - угол между осями световодов. Кривая В по­
казывает, как изменяется затухание в функции от разброса ради­
усов сердечников излучающего аи и принимающего ап световодов,
(а--·а)
т. е. а:.= J 2 и аи п • Эта же кривая показывает также функ-
цию а:д = f и п ) - затухание в зависимости от оазличия нор-
(д-Л\
.
Ли;
мированных разностей показателей преломления. График С соот­
ветствует зависимости потерь от зазора d между торцами свето-
dV_
водов: a:d = -
2Л.
а
Если расчет производился бы для равно-
мерного распределения мод или любого другого, отличного от
установившегося распределения, то соответствующие кривые рас­
положились бы выше. Зависимость, изображенная графиком С,
для монтажа линии путем сращивания не играет какой-либо за­
метной роли, так как при сращивании d--+-0 . Приведен данный
график для наглядного сопоставления с другими кривыми.
Потери на соединение одномодовых световодов удобно выра­
жать через эффективный радиус моды w [В.1O]. Если два соеди­
няемых световода с эффективными радиусами моды w 1 и w 2 ,
где w 1 характеризует излучающий световод, а w2 - приемный, при
этом w 1>w 2 , то коэффициент передачи по мощности
Тw = ( ;{iw:v~ У·
При идентичности геометрической структуры и профилей показа­
телей преломления соединяемых световодов w, =W2 = W . В этом
случае при смещении осей световодов на Ла коэффициент пере­
дачи
Тда = е:х-р{-(да /w)2}.
Если же соосность световодов соблюдена, но между световодами
имеется зазор d, то
Td = (1 +4z2)/:[z2+ (1 +2z2) 2],
где z=d/kn2w 2.
При сращивании Тd = 1, так как d = 0. В случае наклона осей
световодов на угол 0 и отсутствии других причин, вызывающих
потери, имеем:
Те= ехр {- (м2w0/л)2}.
Чтобы получить, например, в сращенном соединении затуха­
ние О, 1 дБ, для совершенно идентичных соединяемых световодов
отношение поперечного смещения к радиусу сердечника Ла/а не
190
(

должно превышать 0,04 для многомодовых градиентных и 0,02 для
одномодовых ступенчатых с V =2,4, при этом угловая несогласо-
~ ванн ость должна быть 0iV 2Л < О, 1. Если же одномодовый свето­
вод имеет меньший диаметр, соответствующий V = 1, то указанное
затухание можно получить при менее жестких условиях [6. 1О] :
,
Ла/а<О,5 и 8/V 2Л<О,3.
МЕТОДЫ СРАЩИВАНИЯ И ЗАЩИТНЫЕ МУФТЫ
При монтаже оптических кабелей используются в основном
два метода сращивания - сплавление и соединение путем склеи­
вания. Наибольшее распространение получил метод сплавления.
Разогрев свариваемых световодов обычно производится электриче ­
ской дугой, газовым пламенем или излучением инфракрасного ла­
зера на СО2. Чаще всего используется дуговая сварка - благода­
ря простоте и более широким возможностям регулировки нагрева.
Процесс сварки включает несколько операций, производимых в
определенной последовательности с определенной длительностью .
Сначала производится предварительное оплавление торцов сращи­
ваемых световодов, затем их взаимное сближение, сварка и даль­
нейшее сближение с целью избежать образования горловины . Пос­
.1е этого разогрев прекращается. Все эти процессы выполняют под
визуальным контролем вручную или автоматизируют . Положи ­
тельным качеством сращивания методом сплавления является
эффект самоцентрирования свариваемых световодов за счет по­
верхностного натяжения в расплавленном состоянии .
В настоящее время средние потери, вносимые на сращивание
сплавлением одинаковых градиентных световодов, составляют
0,1 дБ. Достигнута в ряде испытаний прочность на растяжение
сварного соединения, равная примерно прочности самого светово ­
да без покрытия. Время сращивания не превышает 5 мин.
Развитие метода сращивания путем склеивания световодов
идет главным образом в направлении совершенствования и поиска
новых клеев. Уже имеются клеи, отвечающие основным требовани­
ям: по показателю преломления, адгезии к кварцу, вносимым по ­
терям. Однако большинство из них не отвечают полностью требо-
J'
ваниям fiыстрого затвердевания в диапазоне температур , при ко­
тором производится монтаж, или имеют невысокую устойчивость
к циклическим изменениям температур и пр.
Процедура склеивания состоит из следующих операций : фикси­
руют сr~ леиваемые световоды на пластинке с У-образным желобом,
сверху накладывают плоскую прозрачную пластинку и вводят
клей, который заполняет место стыка световодов. Хорошие резуль ­
таты получены при использовании специального цемента [6.11] .
Для его отвердевания проводилось облучение места склеивания
ультрафиолетовым светом . Этот цемент применялся для сращива­
ния одномодовых световодов. Средняя величина потерь, получен ­
ная с применением иммерсионной жидкости на 36· сростках, про­
изведенных в кабельных колодцах, составляла 0,048 дБ при стан-
191

дартном отклонении 0,035 дБ. Время сращивания составляло
12. мин.
После сращивания место стыка и прилегающие участки свето­
вода, с которых было удалено покрытие, защищают от возможных
повреждений. Имеются несколько способов упрочнения мест со­
единений световодов . Упрочняющее покрытие мест сращивания не
должно изменять затухание при изменении температуры, иметь од­
нородную структуру, чтобы избежать микроизгибов и трещин в
световоде, быть простым и технологичным. Этим условиям наи­
более полно соответствует способ с использованием термофитной
трубки [6.12] . Перед сращиванием на один из светодиодов оде­
вается трубка из ацетатэтиленвинила диаметром ~ 1,7 мм, а на
нее одевается несколько большего диаметра (3,5 мм) термофит­
ная трубка . Между этими трубками помещается стальной стерже­
ыек. После операции сращивания световодов на оголенный от за ­
щитной оболочки участок надвигаются трубки и разогреваются .
Трубка из ацетатэтиленвинила расплавляется, а термофитная
трубка обжимает световод вместе со стальным стержнем. Испыта­
ния показали , что цри температуре -40°С затухание в месте сро­
стка возрастает не более, чем на 0,06 дБ, а прочность на растяже­
ние при кумулятивной вероятности 50 % составляет порядка
2,5 кГс. Результаты испытания на старение показали, что из
2500 испытанных сростков ни один не имел повреждение, а зату­
хание изменилось лишь на 0,02 дБ/сросток. Испытание прово ­
дилось 900 часов при температуре + 80°С и влажности 65 %.
Важными факторами монтажа световодных кабелей является
объем и длительность монтажных операций . Поэтому весьма инте­
ресными являются методы одновременного соединения всех све ­
товодов, находящихся в составе кабеля. Такое соединение оказа­
лось особо эффективным при монтаже ленточных кабелей. Для
этой цели используются матричные неразъемные соединители. Они
представляют собой набор подложек с У-образными канавками .
Световоды с удаленными защитными оболочками укладываются
в канавки каждой подложки и заливаются эпоксидной смолой.
Если число световодов в кабеле превышает число канавок одной
подложки, то используется несколько подложек, накладываемых
друг на друга в стопку (матрипу) . Полученную матрицу полиру­
ют со стороны торцов световодов. Две такие матрицы, каждая из
которых установлена на одном торце соединяемых строительных
длин, состыковываются, образуя соединение . Средние вносимые
потери такого соединения при использовании иммерсионной жид­
кости составляют 0,2 дБ .
Защита от внешних воздействий мест соединений строительных
длин кабеля осуществляется линейными защитными муфтами.
Наряду с общими требованиями, определяемыми условиями экс ­
плуатации (простота и прочность конструкции, герметичность,
устойчивость к воздействию воды, инея, плесневых грибков), к ли­
нейным муфтам, благодаря особенностям технологии сращивания
световодов, предъявляются также и специфические требования .
192

Во-первых, конструкция муфты должна обеспечивать возмож­
ность закрепления концов, сращиваемых строительных длин кабе­
ля с сохранением возможности производства последующих опера­
ций по сращиванию световодов, защите сростков, их фиксации вну­
три муфты . Это требование вызвано тем, что после соединения
} световодов любые манипуляции с концами кабелей могут приве­
сти к повреждениям сростков или световодов.
Во-вторых, конструкция муфты должна допускать размещение
в ней запаса некоторой длины сращенных световодов. Создание
такого запаса вызвано необходимостью выноса сращиваемых све­
товодов за пределы муфты для установки их в устройство сращиs
вания, например в сварочный аппарат. Кроме того, запас требует­
ся для возможного производства повторных сращиваний в случае
получения неудовлетворительных сростков.
В-третьих, желательно, чтобы конструкция муфты допускала
неоднократные операции монтаж - демонтаж, которые не изменя­
ли бы параметры сростков. Такое свойство муфты значительно
снижает объем работ при необходимости ремонта одного из срост­
ков световодов.
Исходя из перечисленных требований, большинство известных
конструкций имеют корпус, разделенный вдоль муфты на две ча­
сти [6.13, 6.14]. Нижняя часть служит основанием, на ней укреп­
ляются концы строительных длин и производятся все операции.
связанные со сращиванием световодов и их фиксацией. Верхняя
часть служит как бы крышкой. Внутреннее пространство муфты
позволяет разместить узел, на котором укрепляются запасы длин.
сращиваемых световодов, а также скрепленные части упрочняю­
щих элементов кабелей. Корпус муфты имеет цилиндрическую фор­
му или выполнен в виде плоского контейнера (короба). Узел, на
который наматывается запас световодов, • имеет разнообразные
конструктивные решения. Он должен отвечать требованиям рацио­
налы1ого использования пространства муфты, легкости в обраще ~
нии, не вносить дополнительного затухания на изгибах при намот­
ке и быть приспособленным к любой технологии сращивания све­
товодов. Таким требованиям отвечает, в частности, цилиндриче­
ский контейнер с защитной оболочкой из пластика, на который
1
наматывается запас длины световодов [6.15].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
К введению
В.1. Маркузе Д. Оптически~ волноводы: Пер . с англ./ Под ред. В. В. Шевчен­
ко. - М.: Мир, 1974. -
576 с.
В.2 . Теумин И. И . Волноводы оптической связи. - М.: Связь, 1978. -
168 с.
В.3. Унrер Х.-Г. Планарные п волоконные оптические волноводы: Пер. с англ./
Под ред. В. В. Шевченко. - М.: Мир, 1980. -
656 с.
•
В.4. Основы волоконно-оптической связи: Пер. с англ./ Под ред. Е. М. Диано­
ва. - Сов. радио, 1980. -
232 с.
В.5. Семенов Н. А. Оптические кабели связи. -М.: Радио и связь, 1980. -
1.52 с.
В.6. Колесников П . М. Теория неоднородных световодов и резонаторов/ Под
ред. Р . И . Солоухина . - Минск: Наука и техника, 1982. -
296 с.
В.7 . Мидвинтер Дж. Э. ВоJiоконныс световоды для передачи информации: Пер.
с англ . /Под ред . Е . М. Дианова.-М.: Радио и связь, 1983. -3 36 с.
В.8. Адамс М. Введение в теорию оптических волноводов: Пер. с англ./ Под
ред. И . Н . Сисакяна. -М. : Мир, 1984. -
512 с.
U.9. Оптика и связь/ А. Козанне, Ж. Флере, Г. Мэтр, М. Руссо; пер. с франц.
под ред. В . К. Соколова.-· М.: Мир, 1984. -
502 с.
В . 10. Андрушко Л. М., Гро;~.нев И. И., Панфилов И. П. Волоконно-оптические
линии связи . - М.: Радио и связь, 1984. -
136 с.
В.11. Шевченко В. В. Волны в фокусирующем оптическом диэлектрическом вол•
новоде // Радиотехника и электроника, 1974. -
Т.19,No3. -
С. 473-480.
В.12 . К распространению собственных волн в слоистых оптических волноводах/
А. С. Беланов, Е . М. Дианов, Г. И. Ежов, А. М. Прохоров. Ч. 1: Состав­
ляющие поля и дисперсионные характеристики// Квантовая электроника. -
1976. -
Т. 3, No 1, С . 81 -93; Ч. 2: Энергетические характеристики// Там
же, 1976. -
т.3,No8. -
С. 1689-1700.
В.13. Собственные волны диэлектрических волноводов сложного сечения/
Н. И. Войтович, Б. 3 . Каннеленбаум, А. И. Сивов, А. Д. Шатров//- Ра­
диотехннка и электроннка. - 1979. -Т. 24, No 7. -
С. 1245-1263.
В.14 . Импульсно-частотные характеристики волоконных световодов/ Т. В. Баб­
кина, В. В. Григорьянц, М. Е. Жаботинский и др.// Квантовая электрони ­
ка. -1981. -
Т.8,No5. -
С. 996.
В . 15. Gloge D. Weakly Guiding Fibers.- A ppl. Opt. - '1971, N 10.-Р. 2252-2258.
Б.16. Pettermann К. The Mode Attenuation in General Graded Core Multimode
Fibers // Arch . Electr. Ubertr. -
1975. N 29. -
Р . 345-348.
В.17 . Miller S . Е., Chenoweth А. G. Optical Fiber Telecommunications. -
New-York:
•Academic Press, 1979. -
727 р.
,
В.18. Streiffer W., Kurtz С. N. Scalar Analysis of Radially Inhomogeneous Guidiпg-
Media //J. Opt. Soc. Ат. - 1967. -
Vol.57,N6. -
Р. 779-786.
В.19. Динье Л. Структура, параметры и передаточные характеристики волокон­
ных световодов// ТИИЭР . - 1980. -Т . 68, No 10. -
С. 8-15.
Б .20. Olshansky R., Keck D. В. Pulse Broadening- in Graded-Index Optical Fi-
bers // Appl . Opt. -,1976. -
Vol.15,N2. -
Р. 483.
В.21. Personic S. D. Receiver Design for Digital Fiber Optic Communication Sys-
tems // Bell Syst. Techn. J . -
1973. -
Vol. 52. -
Р. 843.
В.22. Каминов А. П., Маркузе Д., Пресби Х. М. Полоса пропускания многомо­
довых световодов : теории н практика// ТИИЭР, 1980, т. 68, No 10. -
С. 49-54.
В.23. Nicia А. Impulse Response of а Step - index Fiber Includini;; а Gap. // Philips
J. Research, 1980. -
Vol.35,N2. -
Р . 145-156.
В.24. White К., Nelson В. Zero Total Dispersion in Step-index Monomode Fibers
at 11,3 and 1,55 μm. // Electronics Letters, 1979. -
Vol. 13. -
Р. 396-397.
194

13.25. Murata Н. Low- loss Single-Mode Fiber Development and Splicing Research
in Japan // IEEE J. -
1981. - Vol. QE-6. -
Р. 835- 849.
В.26. Беланов А. С., Дианов Е. М. Предельные скорости передачи информации
по волоконным световодам// Радиотехника, 1982. -
Т.37,No2.-
С.35-43. •
В.27. Гордон Г. И., Теумин И . И. Модуляционно - частотные характеристики мно­
гомодовых оптических волокон // Оп т ика и спектроскопия, 1983, т. 55,
No 1. -С. 198- 203.
В.28. Transmission Characteristics of Long Splied Graded -Index Optical Fibers at
1,27 μm / К. Юtayama, et. а!// IEEE J., 1979 . -
Vol. QE-15. -
Р . 638-642.
К главе 1
1.1. Мурадян А. Г., Гинзбург С. А. Системы передачи информации по оптиче­
скому кабелю. - М.: Связь, 1980. -
160 с.
1.2. Гроднев И. И., Мурадян А. Г. Развитие оптических систем и кабелей свя­
зи// Электросвязь, 1980, No 4. -
С. 33-37.
1.3. Гольдфарб И. С., Мурадян А. Г. Допустимый разброс длин волокон в жгу­
тах оптических кабелей// Электросвязь, 1978, No 7. -
С. 23-27. '
К главе 2
2.1. Справочник no кабельным сетям : Пер. с анг.1. / Под ред. В. П. Завьялова,
К. А. Любимова, В. И. Погарского. - М. : Госэнергоиздат, 1962 . -
624 с.
2 .2 . Knight 1. О. The Estimat ion of Pulling Tension for СаЫеs in Ducts. А Guide
for P lanners // The Post Office Electrical Eпgineer's J . -
1974. -
Vol. 66,
N4. -
Р. 252-257.
2.3 . Курба:rов Н. Д., Фролов П. А. Стабильность параметров кабелей дальней
связи. - М.: Связь, 1965. -
104 с.
2.4 . Гуревич А. С . , Курбатов Н. Д. Надежность кабелей связи. - М.: Связь,
1968. -
136 с.
2.5 . Исихара К., Токуца М., Сзйкай С . Проектирование 48-жильного оптиче­
ского кабеля и его характеристики// Кэнкюу дзицуёока хококу. - 1979 . -
Т. 28, No 9.-С . 1867-1881.
2.6 . Шарле Д. Л. Конструирование и расчет городских телефонных кабелей. -
М.: Энергоатомиздат, 1982 . -
218 с.
2.7 . Гольдфарб И. С. Характеристики передачи оптических кабелей при воздей­
ствии механических нагрузок// Электросвязь. - 1980. -
No12. -
С. 16- 19.
2.8 . Kawase М., Jamashita К., Nishimura М. Optical Loss Change Caused Ьу Hyd-
гaulic Pressure in Mнl timode Optical Fibers // Electronics Lett. -
1979. -
Vol.15,N7. -
Р. 208- 209.
2.9 . Gardner W. В. Microbending Loss in Optical F ibers // Bell Syst. Techn. J .
1975. -
.Vol.54,N1. -
Р. -157- 465.
2.10. Cohen L. G ., Fleming 1. W . Effect of Temperature on Transmission in Light-
gнides // Bell Syst. Techn. J . -
11979. -
Vol.58,N4. -
Р . 945-951.
f,.
2.11 . Scherer G. W., Gulati S. Т. Electrocl1emical Societv. Dielectrics and Insнlation,
E lectronics Divisions, Pittsburg, РА . - 1978, October .
2.12 . Каценеленбаум Б. 3. Теория нерегулярных волноводов . - М. : Изд-во
АН СССР , 1961. -
216 с.
2.13. Marcuse D. Coup led Mode Theory of Round Optical Fibers // Bell Syst. Techn.
J.~1973. -
Vol.52,N6. -
Р. 817- 842.
2 :14. Marcuse D. Theor y of Dielect ric Optical Waveguides . -
Ne,v-York : Academic
Press, 11974. -
257 р.
2.15. Gloge D. Optical Po,ver Flow in Multimode Fibers // Bell Syst. Techn. J . -
1972. - Vol. 51, N 8.-Р. 1767-1783.
2.16. Gloge D. Impulse Response of Clad Optical Multimode Fibers // Bell Syst .
Techn. J. -
1973. -
Vol.52,N6. -
Р . 801-816.
2.17 . Marcuse D. Losses апd Impulse Response of а Parabolic-index Fiber with
Random Bends // Bell Syst. Techn. J . -
1973. -
Vol. 52. -
Р. 1423-1437.
13*
195

2.18. Gloge D. Optical -Fiber Packaging- and its Influence of Fiber Straightnes and
Loss // Ве!\ Syst. Techn. J . -
1975.
-
Vol.54,N2. -
Р. 245-262. .
.
2.19. Исихара К., Утида Н. Соотношение между поперечным напряжением и оп•
тическими потерями в оптическом волокне с покрытием// Дэнси цусин гак•
кай ромбунси. - 1981. -
Т.j64-B,No4. -
С. 271-278.
2.20. Шаг скрутки световодноrо кабеля и приращение оптического затухания f
К. Исихара и др . // Ромбунси. - 1979. -
Т. j62-B, No 10. -
С. 956-958 .
2.21. Оптима.~ьная конструкция пучка оптических волокон с покрытие м/ К Иси•
хара и др.// Е.С.Е. - 1980. -
Т.j63-B,No1. -
С. 71-77.
2.22 . Гольдфарб И . С . Вопросы выбора оптимальных параметров конструкции_
световодноrо модуля// Сб. науч. тр. ЦНИИС. - 1986. -
No1. -
С. 51-59,
2.23. Механизм увел ичения затухания световодных жил при низкой температу­
ре/ Т. Ябута и др.// Дэнси цусин га ккай ромбунси . - 1980. -Т. j63-B ,
No4. -
С. 392-393.
2.24 . Оптимизация расчета оптико-волоконного повива с плотной упаковкой f
К:. Исихара и др.// Дэн си цусин rаккай ромбунси. - 1982. -
Т. j65-B,
No2. -
С. 230-237.
2.25. Расчет структуры волоконно-оптическоrо кабеля / С. Мосизуки и др. /f
Rev of the Electr. Commun. Lab. -'1978. -
Vol.27,N3,4. -
Р. 210- 216.
2.26 . Волоконно-оптический кабель с малыми потерями/ А. А. Белов, А. В. Вла•
сов, И. С. Гольдфарб и др.// Квантовая электроника. - 1978. -
Т. 5,
No3. -
С. 700-703.
2.27 . Шварц М. И., Гейrен П. Ф ., Сантана М. Р. Проектирование и основные
характеристики светоnодноrо кабеля// ТИИЭР. - 1980. -
Т.68,No10. -
С. 54-60.
2.28 . Metal-coated Optical Fibers with Pure Indium / М. Sato et. а!.// 3-rd Intern.
Conf. оп Iпtegrated Optics and Optica] Fiber Commun ., San-Francisco, Calif.-
1981, April 27-29. -
Washiпgton, 1981. -
Р. 24-26.
2.29. Fiber Optics СаЫе Design, Testing and Installation Experiences / Р . Bark,
et а!.// Wire Industry. -
1980.N6. -
Р. 511-5118 .
К главе 3
3.1 . Блайлер Л. Л., Димарчедло Ф. В. Вытяжка волокна и нанесение покрьr•
тия и защитного чехла// ТИИЭР. - 1980 . -
Т.68,No10. -
С. 31-35 .
3.2. Волоконiю - оптическая связь . Приборы, схемы и системы / Под ред.
М. Д. Хауэса, Д. В. Морrена; Пер . с англ. под ред. М. Е. Жаботинско•
го. - М.: Радио и связь.
-
1982. -
С. 270.
3.3. Разрушение./ Под ред. Г. Либавиц; Пер. с англ. под ред. А. Ю. Ишлин ­
скоrо. - М.: Мир, 1975. -
Т.2. -
С. 763.
3.4. Разрушение твердых полимеров/ Под ред . Б. Роузен; Пер. с англ./ Под
ред. В. Е. Гуля. -М. : Химия, 1971. -
С. 523.
3.5 . Разрушение . / Под ред. Г . Либовнц; Пер . с англ. под ред. Е. М. Мороза•
ва.- М.: Мир, 1976. -
Т.3. -
С. 796.
3.6. Прочность стекла/ Под ред. В. А. Степанова . - М.: Мир, 1969.
3.7 .
. Упрочняющие
полимерные оболочки для волоконного световода. А . С. Ионов
~
и др . // Получение веществ для волоконной оптики. - Горький, 1980. -
·,· 1
С. 47-50 .
3.8 . Торнер Р. В. Теоретические основы переработки полимеров . -М. : Химия,
1977.-С. 464.
3.9. Релаксационное явление в полимерах/ Под ред. Г. М. Бартнева, Ю. В. Зе •
ленева . - Л.: Химия, 1972. -
С. 376.
3.1О. Кан К. И. Вопросы теории теплового расширения полимеров. - Л . : Химия,
1975. -
С. 80.
3.11. Доннел Л. Г. Балки, пластины и оболочки: Пер . с анrл.-М. : Наука,
1982. -
С. 568.
3.12. Marcuse D. CurvatU:re Loss Formula for Optical Fibers // J. Opt. Soc. Am. -
1976. -
Vol.66,N3. -
Р. 216-220.
3.13. Marcuse D. Padiation Loss of Helica!ly Deformed Optical Fibers // J. Opt. Soc .
Ат. - -1976.
-
Vol.66,N10. -
Р. 1025-1031.
196

f..
3.14. Gloge D. Bending Loss in MuШmode Fibers with Graded and Ungraded Core
Index // J. Appl. Opt. -
1972. -
Vol.11,N11. -
Р. 2506-2513.
3.15. Корн Г. и Корн Т. Справочник по математике: Пер. с англ. - М.: Наука,
1978. -
832 с.
3.16. Феодосьев " В. И. Избранные задачи и вопросы по сопротивлению матери­
алов. -М.: Наука, 1967. -
544 с.
К главе 4
4.1 . Сох S. М. Glass Streпgth апd Iоп Mobllity // Physical апd Chemical of Gas-
ses. -
1969. -
Vol. 10(6). -
Р. 286-289.
4.2. Long-term Mechanical Reliabllity of Optical Fibers / Т. Кimura, et. а!// Electr.
Comm. Lab. Techn. J. -
1980. -Vol. 29, N 10. -
Р. 1771-1782.
4.3. Фукутоми Х. Надежность оптических кабелей// Дэнки цусин. - 1983. -
No 7.-С. 7-17.
4.4. Александров И. В., Жаботинский М. Е., Шушпанов О. Е. Физическая мо­
де;1ь для оценки надежности градиентных волоконных световодов// ЖТФ.-
1983. -Т. 53, No 9.-С. 1797-1803.
4.5 . Радиационно-оптические свойства волоконных световодов на основе квар­
цевого стекла/ Е. М. Дианов, Л. С . Корниенко, Е. П . Никитин и др.//
Квантовая электроника. - 1983. -
Т.10,No3.-
С. 473-496.
4.6. Сайrил Дж. Х. Потери в оптических волокнах, вызываемые сильными по­
лями ионизирующего излучения// ТИИЭР. - 1980 . -
Т.68,No10.-
С. 81-85.
4.7 . Радиационно-оптическая устойчивость стеклянных волоконных световодов
с малыми потерями/ А. Н. Гурьянов, Д. Д . Гусовский, Е. М. Дианов
и др.// Квантовая электроника. - 1979 . -
Т.6,No6. -
С. 1310-1319.
4.8 . Дианов Е. М., Корниенко Л. С., Никитин Е. П. Влияние температуры и
уровня оптической мощности Н?. наведенное поглощение в стеклянных све­
товодах на основе чистого кварцевого стек.J)а // Квантовая электроника . -
1981.-Т. 8, No 9.-С. 1935-1944.
4.9. An Analysis of PhotoЬ!eaching Technigues for the Radiation Hardeпing of
Fiber Optic Data Links / G. Н. Sigel, Р . !. Friebele, М. I. Marrone, М. Е. Gin-
gerich // IEEE Trans. -
1982. -
Vol. NC-28, N 6. -
Р . 4095-4099.
4.10. Исс.педование радиационной стойкости оптического кабеля при облучении
электронами с энергией 8 МэВ/ Г. А. Косинов, И. Г. Лагутин, Ю. Т. Ла­
рин и др.// Квантовая э.пектроника . ., - 1983. -
Т.10,No4. -
С . 1012,-1014.
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
5.6 .
5.7.
.5 .8.
1( главе 5
ССIТТ. Temporary Document 43-Е, SGXV, 1984.
Коэн Л. Г., Кайзер П., Линь Ц. Методы измерения потерь и дисперсий в
волоконных световодах // ТИИЭР. - 1980. -
Т. 68, No 1О.- С. 41-48.
Характеристики передачи опытной световолоконной линии передачи с ма­
лой и средней пропускной способностью/ Т . Танифудзи и др. (( Кэнкю дзи-
цуёка хококу. -
· 198°1. -
Т.30,No9. -
С. 2193-2204.
•
Гольдфарб И. С., Лозовская Т. М. J\ileтoд измерения светопропускания све­
товолоконных световодов, не нарушающий целостности исследуемых объ­
ектов (( Оптико-механическая промышленность. - 1976 . - No 12. -
С. 44-47 .
Прибор для измерения затухания в оптических кабелях и волоконных све­
тщюдах / И. С. Гольдфарб, В. И . Загорельский, А. Б. Цибуля, В. Г . Чер ­
тов(/ Приборы и техника эксперимента . - 1977, No 2. -
С. 252.
Гольдфарб И. С., Лозовская Т . М. Метод измерения затухания оптических
волокон и кабелей// 31-я Всесоюз . науч. сессия, посвящ . Дню радио: Ан­
нот. и тез. докл. / НТОРЭС им. А. С. Попова. 1976. -
С. 30.
Григорьянц В. В., Чаморовский Ю. К. Диагностика волоконных световодов
и оптических кабелей методом обратного рассеяния (( Итоги науки и тех­
ники. Сер. Радиотехника. - 1982 . -
Т . 29. -С. 47-79.
Brinkmeyer Е. Backscattering in Sinl-Mode Fibers // Electron. Lett. -
1980. -
Vol.16,N9. -
Р. 329-330.
197

5.9 Okoshi Т . Optical Fibers. -
New-York : Academic Press. -
1982. -
298р. •
5.10. Cohen L. G . Shutt le Pulse Measurements of Pulse Spreading in an Optica\
Fiber // Appl. Opt . -
1975. -
Vol. '14,N6. -
Р. 1351-1356.
5.11 . Gloge D., Chinnock Е. L., Lee Т. Р. GaAs Tw in -Laser Setup to Measure Mode
and Material Dispersion оп Optical Fibers // Appl. Opt. -
1974, -
Vol . 13,
N2. -
Р . 2.61-263.
5.12 . МККТТ, ИК ХУ, NR47, Рекомендация G651.
5.13. Gloge D., Chinnock Е . L., Ring D. Н. Direct Measurement of the (Baseband)
r
Frequency Response of Mu1timode Fibers // App l. Opt. -
11972. -
Vol. 11 ,
N7. -
Р . 1534-1538.
5.14. Eve М. Multipatl1 Time Dispersion of ап Optical Network // Opt . Quantum
Electron . - 1978. -
Vol.10,N1.-
Р . 41-511.
5.15 . Шикетанц Д. Теория измерений по методу обратного рассеяния в свето­
водах// Зарубежная радиоэлектроника. -- 1981 . -
No6. -
С. 87-94:
5.16. Stone J., Earl Н. Е . Surface Effects and Reflaction Reflactometry of Optica n
Fibers // Opt. Quantum E lectron . -
1978. -
Vol. 8. -
Р. 459.
5.17 . Пресби Х . М., Маркузе Д. Методы определения п рофиля показателя пре­
ломления з аготовок и изготовленных из них оптических волокон/!
ТИИЭР. - 1980. -Т. 68, .No 10.-С. 35-41.
5.18 . Marcuse D. Refractive Index Determination Ьу the Focusing Method // Арр } .
Opt. -
1979. -
Vol. 18. -
Р . 9-13.
5.19 . Sladen F. М . Е . , Payne D. М . , Adams М. J. Determiпation of Optical Fiber
Refractive Index Profiles Ьу а Near - Fie ld Sсаппiпg Teclшigue // Арр! .
Phys. Lett. -
1976. -
Vol.28,N5. -
Р. 255-258.
5.20 . Stewart W. 1 . А New Technig ue for Measuring the Refcactive lndex Profiles.
of Graded Optical Fibers // Intern. Conf. Integrated Optics and Optical Fiber
Communication . -
Tokyo, 1977. -
С. 22.
5.21 . Акатьев Ю. Н., Гриrорьянц В. В., Чаморовский Ю. К. Определение профи •
ля показателя преломления волоконных световодов модифицированным
рефракционным методом ближнего поля// Квантовая электроника . -
1984.-Т. 11, No 6.-С . 1282-1284.
5 .22 . МККТТ , ИК ХУ, NR48, Рекомендация G652.
К главе 6
6.1 . Общая инструкция по строительству линейных сооружений ГТС. - М. :
Связь, 1978. -
С. 431.
6.2 . Дубровский Е. П., Мижерицкий Г. Ш., Шарле Д. Л . Городские кабельные
линии связи. - М.: Связь, 1979. -
С. 296.
6.3. А Novel Approach to Fiber. Optic Instal lation // Te lephony. -
1980. -
Vol . 198,.
N 14.-Р . 34.
6.4 . Опыт фирмы NTT в прокладке оптико-волоконных кабелей в каналах под•
земных трубопроводов// Дэнси цуснн rаккай ромбунси. - 1981. -
Т. j64-B,.
No 10 . -С. 1139-1146.
6.5 . Барон Д . А . , Лакерник Р. М. Симметричные высокочастотные кабели в.
·1
алюминиевых и стальных оболочках// Электросвязь. - 1980. No 4. -
;;·
С. 38-43.
6.6 . Гольдфарб И . С. Выбор конструкции световодного кабеля для междуго­
родных линиii связи// Вторая Всесоюз. конференция. «Применение лазеров,
в технологии и системах обработки информаци и ». - Л.: 1984 .
6.7 . Опыт прокла д ки оптического кабеля в городской телефонной канализа­
ции/ И . С. Гольдфарб, Л. Л . Плошай, В. И. Смирнов, В . П . Филимонов ,
В . Г. Чертов// Радиотехника. - 1982. -
Т.37,No2. -
С. 92-94.
6.8. Saito Т., Nakagoni S., Kawakimi Н. Optical СаЫе Installation // Rev. Electr.
Comm . Lab. -
1979. -
Vol . 27, N 11-12.
6.9 . O'Hearn Т. What You Should Кпоw About Installing Fiberoptics СаЫе /(
Telephony Engineer and Management. -
1979. -
Vol.83,N18,-
Р. 70-74.
6.10 . Далrлейш Дж. Ф . Неразъемные · соединения и распределители мощности
для применения в _полевых- условиях и в закрытых помещениях// ТИИЭР .-
1980. -
Т.68,No10. -
С. 68-75.
198

6.11. Cement Splices Yie\d Lower Losses Than Fusion Technicues // Laser Focus.-
1983. -
Vol.19,N5. -
Р. 148.
6.12 . Мl(l(ТТ, VI ИК, 1982 . Документ No 53.
~
6.13. Методы прокладки оnтнко - волоконных кабелей с градиентным волокном и.
одномодовьiм волокном i Я . Сибано и др . // Сисэцу. - 1983 . -
Т.35,No4. -
С. 117-122.
6.14 . Технология монтажа оптического кабеля в полевых усло в иях/ Т . В . Кле ­
парская, Л. Л. Плошай, В . И. Смирнов, В . П . Филимонов , В. Г. Чертов//
Радиотехника. - 1982. -
Т.37,No4.-
С.78-80.
6.15. Splice of Optical Fiber and СаЫе / Hirai М., et а\// Rev . Electr. Comm . Lab .-
1979. -
Vol. 27, N 11-12. -
Р. 966.

Научное издание
Ашот Гарегинович Мурадян, Иосиф Самуилович Гольдфарб,
Валентин Петрович Иноземцев
ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ МНОГОКАНАЛЬНЫХ ЛИНИИ СВЯЗИ
Заведующий редакцией В. Н. В ял ь ц е в
ИБNo900
Сдано в набор 17.05.86
Формат 60Х90/16
Печать высокая
Тираж 10 ООО экз .
РедакторЕ.В.Комарова
Художественный редактор Р. А . Клочко в
Обложкахудожника Л. В.Брылева
Техническийредактор Г. И. Колосова
КорректорН.Л.)Кукова
Подписано в печать 22 . 10 .86
Т-18790
Бумага тип. No l
Гарнитура литературная
Усл. печ . л. 12,5
Усл. кр.-отт . 12 ,875
Уч.-изд. л. 14,13
Изд . No 20747
Зак. No 1149
ЦенаIр.20к.
Издательство «Радио и связь». 101000 Москва, Почтамт , а/я 693
Набрано и отпечатано в типографии издательства «Радио и связь». 101000 Москв а,
Почтамт, а/я 693
Гираж изготовлен в Московской типографии No 4 «Союзполиграфпрома при Государственном
комитете СССР по делам издательств , полиграфии и книжной торговли. Москва, И-41,
Б. Переяславская, 46