История развития линий связи

 

1. История развития линий связи

 

Линии связи  возникли одновременно с появлением электрического телеграфа. Первые линии  связи были кабельными. Однако вследствие несовершенства конструкции кабелей  подземные кабельные линии связи  вскоре уступили место воздушным. Первая воздушная линия большой протяженности была построена в 1854 г. между Петербургом и Варшавой. В начале 70-х годов прошлого столетия была построена воздушная телеграфная линия от Петербурга до Владивостока длиной около 10 тыс. км. В 1939 г. была пущена в эксплуатацию величайшая в мире по протяженности высокочастотная телефонная магистраль Москва-Хабаровск длиной 8300 км.

Создание  первых кабельных линий связано  с именем русского ученого П.Л. Шиллинга. Еще в 1812 г. Шиллинг в Петербурге демонстрировал взрывы морских мин, использовав для этой цели созданный им изолированный проводник.

В 1851 г. одновременно с постройкой железной дороги между  Москвой и Петербургом был  проложен телеграфный кабель, изолированный  гуттаперчей. Первые подводные кабели были проложены в 1852 г. через Северную Двину и в 1879 г. через Каспийское море между Баку и Красноводском. В 1866 г. вступила в строй кабельная  трансатлантическая магистраль телеграфной  связи между Францией и США.

В 1882-1884 гг. в Москве, Петрограде, Риге, Одессе были построены первые в России городские  телефонные сети. В 90-х годах прошлого столетия на городских телефонных сетях  Москвы и Петрограда были подвешены  первые кабели, насчитывающие до 54 жил. В 1901 г. началась постройка подземной  городской телефонной сети.

Первые конструкции  кабелей связи, относящиеся к  началу XX века, позволили осуществлять телефонную передачу на небольшие расстояния. Это были так называемые городские  телефонные кабели с воздушно-бумажной изоляцией жил и парной их скруткой. В 1900-1902 гг. была

сделана успешная попытка повысить дальность  передачи методами искусственного увеличения индуктивности кабелей путем  включения в цепь катушек индуктивности (предложение Пупина), а также применения токопроводящих жил с ферромагнитной обмоткой (предложение Крарупа). Такие способы на том этапе позволили увеличить дальность телеграфной и телефонной связи в несколько раз.

Важным  этапом в развитии техники связи  явилось изобретение, а начиная  с 1912-1913 гг. освоение производства электронных  ламп. В 1917 г. В.И. Коваленковым был разработан и испытан на линии телефонный усилитель на электронных лампах. В 1923 г. была осуществлена телефонная связь  с усилителями на линии Харьков-Москва-Петроград.

В 30-х  годах началось развитие многоканальных систем передачи. В последующем стремление расширить спектр передаваемых частот и увеличить пропускную способность  линий привело к созданию новых  типов кабелей, так называемых коаксиальных. Но массовое изготовление их относится  лишь к 1935 г., к моменту появления  новых высококачественных диэлектриков типа эскапона, высокочастотной керамики, полистирола, стирофлекса и т.д. Эти кабели допускают передачу энергии при частоте токов до нескольких миллионов герц и позволяют производить по ним передачу телевизионных программ на большие расстояния. Первая коаксиальная линия на 240 каналов ВЧ телефонирования была проложена в 1936 г. По первым трансатлантическим подводным кабелям, проложенным в 1856 г., организовывали лишь телеграфную связь, и только через 100 лет, в 1956 г., была сооружена подводная коаксиальная магистраль между Европой и Америкой для многоканальной телефонной связи.

В 1965-1967 гг. появились опытные волноводные  линии связи для передачи широкополосной информации, а также криогенные сверхпроводящие  кабельные линии с весьма малым  затуханием. С 1970 г. активно развернулись работы по созданию световодов и оптических кабелей, использующих видимое и инфракрасное излучения оптического диапазона волн.

Создание  волоконного световода и получение непрерывной генерации полупроводникового лазера сыграли решающую роль в быстром развитии волоконно-оптической связи. К началу 80-х годов были разработаны и испытаны в реальных условиях волоконно-оптические системы связи. Основные сферы применения таких систем - телефонная сеть, кабельное телевидение, внутри объектовая связь, вычислительная техника, система контроля и управления технологическими процессами и т.д.

В России и других странах проложены городские  и междугородные волоконно-оптические линии связи. Им отводится ведущее  место в научно-техническом прогрессе  отрасли связи.

 

2. Конструкция и характеристика  оптических кабелей связи

 

Разновидности оптических кабелей связи

Оптический  кабель состоит из скрученных по определенной системе оптических волокон из кварцевого стекла (световодов), заключенных в общую защитную оболочку. При необходимости кабель может содержать силовые (упрочняющие) и демпфирующие элементы.

Существующие  ОК по своему назначению могут быть классифицированы на три группы: магистральные, зоновые и городские. В отдельные группы выделяется подводные, объектовые и монтажные ОК.

Магистральные ОК предназначаются для передачи информации на большие расстояния и  значительное число каналов. Они  должны обладать малыми затуханием и  дисперсией и большой информационно-пропускной способностью. Используется одномодовое волокно с размерами сердцевины и оболочки 8/125 мкм. Длина волны 1,3...1,55 мкм.

Зоновые ОК служат для организации многоканальной связи между областным центром и районами с дальностью связи до 250 км. Используются градиентные волокна с размерами 50/125 мкм. Длина волны 1,3 мкм.

Городские ОК применяются в качестве соединительных между городскими АТС и узлами связи. Они рассчитаны на короткие расстояния (до |10 км) и большое число каналов. Волокна-градиентные (50/125 мкм). Длина волны 0,85 и 1,3 мкм. Эти линии, как правило, работают без промежуточных линейных регенераторов.

Подводные ОК предназначаются для осуществления  связи через большие водные преграды. Они должны обладать высокой механической прочностью на разрыв и иметь надежные влагостойкие покрытия. Для подводной  связи также важно иметь малое  затухание и большие длины  регенерационных участков.

Объектовые  ОК служат для передачи информации внутри объекта. Сюда относятся учрежденческая и видеотелефонная связь, внутренняя сеть кабельного телевидения, а также  бортовые информационные системы подвижных  объектов (самолет, корабль и др.).

Монтажные ОК используются для внутри- и межблочного  монтажа аппаратуры. Они выполняются  в виде жгутов или плоских лент.

Оптические  волокна и особенности их изготовления

Основным  элементом ОК является оптическое волокно (световод), выполненное в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы, по которому передаются световые сигналы с длинами волны 0,85...1,6 мкм, что соответствует диапазону частот (2,3...1,2) • 1014 Гц.

Световод имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления. Сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии. Назначение оболочки - создание лучших условий отражения на границе “сердцевина - оболочка” и защита от помех из окружающего пространства.

Сердцевина  волокна, как правило, состоит из кварца, а оболочка может быть кварцевая  или полимерная. Первое волокно называется кварц-кварц, а второе кварц-полимер (кремнеор-ганический компаунд). Исходя из физико-оптических характеристик предпочтение отдается первому. Кварцевое стекло обладает следующими свойствами: показатель преломления 1,46, коэффициент теплопроводности 1,4 Вт/мк, плотность 2203 кг/м3.

Снаружи световода располагается защитное покрытие для предохранения его от механических воздействий и нанесения расцветки. Защитное покрытие обычно изготавливается двухслойным: вначале кремнеорганический компаунд (СИЭЛ), а затем-эпоксидакрылат, фторопласт, нейлон, полиэтилен или лак. Общий диаметр волокна 500...800 мкм

В существующих конструкциях ОК применяются световоды трех типов: ступенчатые с диаметром сердцевины 50 мкм, градиентные со сложным (параболическим) профилем показателя преломления сердцевины и одномодовые с тонкой сердцевиной (6...8 мкм)

По частотно-пропускной способности и дальности передачи лучшими являются одномодовые световоды, а худшими - ступенчатые.

Важнейшая проблема оптической связи - создание оптических волокон (ОВ) с малыми потерями. В качестве исходного материала  для изготовления ОВ используется кварцевое  стекло, которое является хорошей  средой для распространения световой энергии. Однако, как правило, стекло содержит большое количество посторонних примесей, таких как металлы (железо, кобальт, никель, медь) и гидроксильные группы (ОН). Эти примеси приводят к существенному увеличению потерь за счет поглощения и рассеяния света. Для получения ОВ с малыми потерями и затуханием необходимо избавиться от примесей, чтобы было химически чистое стекло.

В настоящее  время наиболее распространен метод  создания ОВ с малыми потерями путем  химического осаждения из газовой  фазы.

Получение ОВ путем химического осаждения  из газовой фазы выполняется в  два этапа: изготовляется двухслойная  кварцевая заготовка и из нее  вытягивается волокно. Заготовка изготавливается  следующим образом 

Во внутрь полой кварцевой трубки с показателем преломления длиной 0,5...2 м и диаметром 16...18 мм подается струя хлорированного кварца и кислорода. В результате химической реакции при высокой температуре (1500...1700° С) на внутренней поверхности трубки слоями осаждается чистый кварц. Таким образом, заполняется вся внутренняя полость трубки, кроме самого центра. Чтобы ликвидировать этот воздушный канал, подается еще более высокая температура (1900° С), за счет которой происходит схлопывание и трубчатая заготовка превращается в сплошную цилиндрическую заготовку. Чистый осажденный кварц затем становится сердечником ОВ с показателем преломления, а сама трубка выполняет роль оболочки с показателем преломления. Вытяжка волокна из заготовки и намотка его на приемный барабан производятся при температуре размягчения стекла (1800...2200° С). Из заготовки длиной в 1 м получается свыше 1 км оптического волокна.

Достоинством  данного способа является не только получение ОВ с сердечником из химически чистого кварца, но и  возможность создания градиентных  волокон с заданным профилем показателя преломления. Это осуществляется: за счет применения легированного кварца с присадкой титана, германия, бора, фосфора или других реагентов. В  зависимости от применяемой присадки показатель преломления волокна  может изменяться. Так, германий увеличивает, а бор уменьшает показатель преломления. Подбирая рецептуру легированного кварца и соблюдая определенный объем присадки в осаждаемых на внутренней поверхности трубки слоях, можно обеспечить требуемый характер изменения по сечению сердечника волокна.

Конструкции оптических кабелей

Конструкции ОК в основном определяются назначением  и областью их применения. В связи  с этим имеется много конструктивных вариантов. В настоящее время в различных странах разрабатывается и изготавливается большое число типов кабелей.

Однако  все многообразие существующих типов  кабелей можно подразделять на три  группы

кабели  повивной концентрической скрутки

кабели  с фигурным сердечником 

плоские кабели ленточного типа.

Кабели  первой группы имеют традиционную повивную концентрическую скрутку сердечника по аналогии с электрическими кабелями. Каждый последующий повив сердечника по сравнению с предыдущим имеет на шесть волокон больше. Известны такие кабели преимущественно с числом волокон 7, 12, 19. Чаще всего волокна располагаются в отдельных пластмассовых трубках, образуя модули.

Кабели  второй группы имеют в центре фигурный пластмассовый сердечник с пазами, в которых размещаются ОВ. Пазы и соответственно волокна располагаются  по геликоиде, и поэтому они не испытывают продольного воздействия на разрыв. Такие кабели могут содержать 4, 6, 8 и 10 волокон. Если необходимо иметь кабель большой емкости, то применяется несколько первичных модулей.

Кабель  ленточного типа состоит из стопки плоских пластмассовых лент, в  которые вмонтировано определенное число ОВ. Чаще всего в ленте  располагается 12 волокон, а число  лент составляет 6, 8 и 12. При 12 лентах такой  кабель может содержать 144 волокна.

В оптических кабелях кроме ОВ, как правило, имеются следующие элементы:

силовые (упрочняющие) стержни, воспринимающие на себя продольную нагрузку, на разрыв;

заполнители в виде сплошных пластмассовых нитей;

армирующие  элементы, повышающие стойкость кабеля при механических воздействиях;

наружные  защитные оболочки, предохраняющие кабель от проникновения влаги, паров вредных  веществ и внешних механических воздействий.

В России изготавливаются различные типы и конструкций ОК. Для организации  многоканальной связи применяются  в основном четырех- и восьмиволоконные кабели.

Представляют  интерес ОК французского производства. Они, как правило, комплектуются  из унифицированных модулей, состоящих  из пластмассового стержня диаметром 4 мм с ребрами по периметру и  десяти ОВ, расположенных по периферии  этого стержня. Кабели содержат 1, 4, 7 таких модулей. Снаружи кабели имеют  алюминиевую и затем полиэтиленовую оболочку.