Оптическое: Оптическое сканирование: описание, методы, оборудование — Мир Антенн

Содержание

Оптическое сканирование: описание, методы, оборудование

Оптические методы измерений – способы определения различных характеристик объекта без непосредственного контакта с ним. С их помощью определяются как геометрические параметры объекта и расстояния до него, так и другие характеристики, среди которых: шероховатость поверхности, температура, плотность и др. Данные методы основаны на способности исследуемого объекта отражать, рассеивать, поглощать и пропускать сквозь себя лучи света. Кроме того, для определения отдельных характеристик (например, для изучения шероховатости) могут использоваться такие явления, как интерференция и дифракция.

Методы оптических измерений делятся на прямые и косвенные. При помощи прямых можно узнавать искомые величины напрямую, без дополнительных операций, при помощи косвенных – только после обработки информации (вычислений по формулам), полученной при прямых измерениях. Эти методы нашли широкое распространения в различных сферах благодаря высокой скорости и точности получения данных.

В частности, определение геометрических параметров – один из важнейших процессов в машиностроении, аэрокосмической промышленности, в сфере моделирования и проектирования. Здесь требуемая скорость и точность измерения без проблем обеспечиваются современными координатно-измерительными машинами.

Сфера применения оптического сканирования

В сканерах и ксероксах с помощью оптического сканирования происходит копирование рисунков, фотографий или буквенных символов; в лабораторном оборудовании сканирующая оптика способна считывать не только геометрические параметры, но и давать представление о физико-химических свойствах исследуемого образца (состав, структура). Для проверки точных деталей применяют измерительные системы с детектором, на который поступают сведения о внешней форме, контурах, пропорциях; в медицинских и других научных исследованиях используют специализированные электронные микроскопы.

Как работает оптическое сканирование

Принцип копирования графических символов, выполнения геометрических измерений и лабораторных исследований заключается в получении обратной реакции на отраженный (в ряде случаев — проникающий) свет. Конструкционная схема, благодаря которой осуществляется оптическое сканирование, состоит из двух основных компонентов: источник светового излучения и приемник сигнала. Для обработки полученных данных используется модуль преобразования визуальной информации в цифровую; программный анализ цифр придает наборам числовых значений удобно воспринимаемый смысл. Для геометрических замеров и лабораторных исследований это будет — перечень систематизированных сведений, необходимых для подтверждения заявленного качества или обнаружения несоответствий.

Точность оптического сканирования в устройствах измерения тел вращения и контроля плоских деталей зависит от измерительной погрешности, а в перечень снимаемых параметров входят:

линейно-угловые данные;
геометрические сведения;
оцифрованная форма изделия.

Степень погрешности зависит от разрешения оптики и качества оцифровки. Разрешающая способность оптического сканирования бывает физической и интерполяционной. В первом случае речь идет об «очевидных» технических возможностях аппаратуры, а именно:

тип фотоприемника (на фотодиодах, с зарядовой связью, фотоэлектронные умножители),
яркость света, который формирует сканируемую тень,
апертура объектива.

Повысить разрешение можно — программным способом, интерполяцией, в результате чего происходит сглаживание, и улучшается детализация. Для увеличения «мощности» обсчета предусмотрена синхронизация с персональным компьютером. Современные измерительные системы совместимы с компьютерным оборудованием; отчет по итогам тестирования создается в виде электронного файла, который при необходимости можно распечатать и оформить как техническую документацию.

Оборудование для оптического сканирования и измерения

Для оптического сканирования используются координатно-измерительные машины – технологически сложные устройства для контактного и бесконтактного определения геометрических параметров объектов сложной формы. Такая машина состоит из зонда и системы управления, сбора и обработки данных. Месторасположение зонда изменяется вручную оператором или автоматически самой машиной и определяется при помощи специальных датчиков. Определение геометрических параметров исследуемого объекта осуществляется путем последовательно изменения расположение зонда.

Продажа и доставка

Наша компания осуществляет продажу портативных координатно-измерительных машин на выгодных условиях. Мы работаем напрямую с производителем данного оборудования, что позволяет нам реализовать его продукцию без наценок сторонних посредников. Кроме непосредственной продажи техники, мы предоставляем услуги ее доставки, а также проводим обучение персонала работы с КИМ в случае возникновения такой необходимости.

Оптическое волокно (оптоволокно)

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) давно занимают одну из лидирующих позиций на рынке телекоммуникаций. Имея ряд преимуществ перед другими способами передачи информации (витая пара, коаксиальный кабель, беспроводная связь…), ВОЛС широко используются в телекоммуникационных сетях разных уровней, а также в промышленности, энергетике, медицине, системах безопасности, высокопроизводительных вычислительных системах и во многих других областях.

Передача информации в ВОЛС осуществляется по оптическому волокну (optical fiber). Для того чтобы грамотно подойти к вопросу использования ВОЛС, важно хорошо понимать, что из себя представляет оптическое волокно как среда передачи данных, каковы его основные свойства и характеристики, какие бывают разновидности оптических волокон. Именно этим базовым вопросам теории волоконно-оптической связи и посвящена данная статья.

Структура оптического волокна

Оптическое волокно (оптоволокно) – это волновод с круглым поперечным сечением очень малого диаметра (сравним с толщиной человеческого волоса), по которому передается электромагнитное излучение оптического диапазона. Длины волн оптического излучения занимают область электромагнитного спектра от 100 нм до 1 мм, однако в ВОЛС обычно используется ближний инфракрасный (ИК) диапазон (760-1600 нм) и реже – видимый (380-760 нм). Оптическое волокно состоит из сердцевины (ядра) и оптической оболочки, изготовленных из материалов, прозрачных для оптического излучения (рис.

1).

Рис. 1. Конструкция оптического волокна

Свет распространяется по оптоволокну благодаря явлению полного внутреннего отражения. Показатель преломления сердцевины, обычно имеющий величину от 1,4 до 1,5, всегда немного больше, чем показатель преломления оптической оболочки (разница порядка 1%). Поэтому световые волны, распространяющиеся в сердцевине под углом, не превышающим некоторое критическое значение, претерпевают полное внутреннее отражение от оптической оболочки (рис. 2). Это следует из закона преломления Снеллиуса. Путем многократных переотражений от оболочки эти волны распространяются по оптическому волокну.

Рис. 2. Полное внутреннее отражение в оптическом волокне

На первых метрах оптической линии связи часть световых волн гасят друг друга вследствие явления интерференции. Световые волны, которые продолжают распространяться в оптоволокне на значительные расстояния, называются пространственными

модами оптического излучения.

Понятие моды описывается математически при помощи уравнений Максвелла для электромагнитных волн, однако в случае оптического излучения под модами удобно понимать траектории распространения разрешенных световых волн (обозначены черными линиями на рис. 2). Понятие моды является одним из основных в теории волоконно-оптической связи.

Основные характеристики оптического волокна

Способность оптического волокна передавать информационный сигнал описывается при помощи ряда геометрических и оптических параметров и характеристик, из которых наиболее важными являются затухание и дисперсия.

1. Геометрические параметры.

Помимо соотношения диаметров сердцевины и оболочки, большое значение для процесса передачи сигнала имеют и другие геометрические параметры оптоволокна, например:

некруглость (эллиптичность) сердцевины и оболочки, определяемая как разность максимального и минимального диаметров сердцевины (оболочки), деленная на номинальный радиус, выражается в процентах;
неконцентричность сердцевины и оболочки – расстояние между центрами сердцевины и оболочки (рис. 3).

Рис 3. Некруглость и неконцентричность сердцевины и оболочки

Геометрические параметры стандартизированы для разных типов оптического волокна. Благодаря совершенствованию технологии производства значения некруглости и неконцентричности удается свести к минимуму, так что влияние неточности геометрии оптоволокна на его оптические свойства оказывается несущественным.

2. Числовая апертура.

Числовая апертура (NA) – это синус максимального угла падения луча света на торец волокна, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения (рис. 4). Этот параметр определяет количество мод, распространяющихся в оптическом волокне. Также величина числовой апертуры влияет на точность, с которой должна производиться стыковка оптических волокон друг с другом и с другими компонентами линии.

Рис 4. Числовая апертура

3. Профиль показателя преломления.

Профиль показателя преломления – это зависимость показателя преломления сердцевины от ее поперечного радиуса. Если показатель преломления остается одинаковым во всех точках поперечного сечения сердцевины, такой профиль называется ступенчатым. Среди других профилей наибольшее распространение получил градиентный профиль, при котором показатель преломления плавно увеличивается от оболочки к оси (рис. 5). Помимо этих двух основных, встречаются и более сложные профили.

Рис. 5. Профили показателя преломления

4. Затухание (потери).

Затухание – это уменьшение мощности оптического излучения по мере распространения по оптическому волокну (измеряется в дБ/км). Затухание возникает вследствие различных физических процессов, происходящих в материале, из которого изготавливается оптоволокно. Основными механизмами возникновения потерь в оптическом волокне являются поглощение и рассеяние.

а) Поглощение. В результате взаимодействия оптического излучения с частицами (атомами, ионами…) материала сердцевины часть оптической мощности выделяется в виде тепла. Различают собственное поглощение, связанное со свойствами самого материала, и примесное поглощение, возникающее из-за взаимодействия световой волны с различными включениями, содержащимися в материале сердцевины (гидроксильные группы OH^—, ионы металлов…).

б) Рассеяние света, то есть отклонение от исходной траектории распространения, происходит на различных неоднородностях показателя преломления, геометрические размеры которых меньше или сравнимы с длиной волны излучения. Такие неоднородности являются следствием как наличия дефектов структуры волокна (рассеяние Ми), так и свойствами аморфного (некристаллического) вещества, из которого изготавливается волокно (рэлеевское рассеяние). Рэлеевское рассеяние является фундаментальным свойством материала и определяет нижний предел затухания оптического волокна. Существуют и другие виды рассеяния (Бриллюэна-Мандельштама, Рамана), которые проявляются при уровнях мощности излучения, превышающих те, которые обычно используются в телекоммуникациях.

Величина коэффициента затухания имеют сложную зависимость от длины волны излучения. Пример такой спектральной зависимости приведен на рис. 6. Область длин волн с низким затуханием называется окном прозрачности оптического волокна. Таких окон может быть несколько, и именно на этих длинах волн обычно осуществляется передача информационного сигнала.

Рис. 6. Спектральная зависимость коэффициента затухания

Потери мощности в волокне обуславливаются также различными внешними факторами. Так, механические воздействия (изгибы, растяжения, поперечные нагрузки) могут приводить к нарушению условия полного внутреннего отражения на границе сердцевины и оболочки и выходу части излучения из сердцевины. Определенное влияние на величину затухания оказывают условия окружающей среды (температура, влажность, радиационный фон…).

Поскольку приемник оптического излучения имеет некоторый порог чувствительности (минимальную мощность, которую должен иметь сигнал для корректного приема данных), затухание служит ограничивающим фактором для дальности передачи информации по оптическому волокну.

5.Дисперсионные свойства.

Помимо расстояния, на которое передается излучение по оптическому волокну, важным параметром является скорость передачи информации. Распространяясь по волокну, оптические импульсы уширяются во времени. При высокой частоте следования импульсов на определенном расстоянии от источника излучения может возникнуть ситуация, когда импульсы начнут перекрываться во времени (то есть следующий импульс придет на выход оптического волокна раньше, чем закончится предыдущий). Это явление носит название межсимвольной интерференции (англ. ISI – InterSymbol Interference, см. рис. 7). Приемник обработает полученный сигнал с ошибками.

Рис. 7. Перекрывание импульсов, вызывающее межсимвольную интерференцию: а) входной сигнал; б) сигнал, прошедший некоторое расстояние L1 по оптическому волокну; в) сигнал, прошедший расстояние L2>L1.

Уширение импульса, или дисперсия, обуславливается зависимостью фазовой скорости распространения света от длины волны излучения, а также другими механизмами (табл. 1).

Таблица 1. Виды дисперсии в оптическом волокне.

Название	Краткое описание	Параметр
1. Хроматическая дисперсия	Любой источник излучает не одну длину волны, а спектр незначительно отличающихся длин волн, которые распространяются с разной скоростью.	**Коэффициент хроматической дисперсии, пс/(нмкм).*** Может быть положительным (спектральные составляющие с большей длиной волны двигаются быстрее) и отрицательным (наоборот). Существует длина волны с нулевой дисперсией.
а) Материальная хроматическая дисперсия	Связана со свойствами материала (зависимость показателя преломления от длины волны излучения)
б) Волноводная хроматическая дисперсия	Связана с наличием волноводной структуры (профиль показателя преломления)
2. Межмодовая дисперсия	Моды распространяются по разным траекториям, поэтому возникает задержка во времени их распространения.	*Ширина полосы пропускания (*bandwidth), МГцкм. Эта величина определяет максимальную частоту следования импульсов, при которой не происходит межсимвольной интерференции (сигнал передается без существенных искажений). Пропускная способность канала (Мбит/с) может численно отличаться от ширины полосы пропускания (МГцкм) в зависимости от способа кодирования информации.
3. Поляризационная модовая дисперсия, PMD	Мода имеет две взаимно перпендикулярные составляющие (поляризационные моды), которые могут распространяться с различными скоростями.	*Коэффициент* PMD, пс/√км. Временная задержка из-за PMD, нормируемая на 1 км.

Таким образом, дисперсия в оптическом волокне отрицательно сказывается как на дальности, так и на скорости передачи информации.

Разновидности и классификация оптических волокон

Рассмотренные свойства являются общими для всех оптических волокон. Однако описанные параметры и характеристики могут существенно отличаться и оказывать различное влияние на процесс передачи информации в зависимости от особенностей производства оптоволокна.

Фундаментальным является деление оптическим волокон по следующим критериям.

Материал. Основным материалом для изготовления сердцевины и оболочки оптического волокна является кварцевое стекло различного состава. Однако используется большое количество других прозрачных материалов, в частности, полимерные соединения.
Количество распространяющихся мод. В зависимости от геометрических размеров сердцевины и оболочки и величины показателя преломления в оптическом волокне может распространяться только одна (основная) или же большое количество пространственных мод. Поэтому все оптические волокна делят на два больших класса: одномодовые и многомодовые (рис. 8).

Рис. 8. Многомодовое и одномодовое волокно

На основании этих факторов можно выделить четыре основных класса оптических волокон, получивших распространение в телекоммуникациях:

Кварцевое многомодовое волокно.
Кварцевое одномодовое волокно.
Пластиковое, или полимерное, оптическое волокно (POF).
Кварцевое волокно с полимерной оболочкой (HCS).

Каждому из этих классов посвящена отдельная статья на нашем сайте. Внутри каждого из этих классов также существует своя классификация.

Производство оптических волокон

Процесс изготовления оптического волокна крайне сложен и требует большой точности. Технологический процесс проходит в два этапа: 1) создание заготовки, представляющей собой стержень из выбранного материала со сформированным профилем показателя преломления, и 2) вытягивание волокна в вытяжной башне, сопровождающееся покрытием защитной оболочкой. Существует большое количество различных технологий создания заготовки оптического волокна, разработка и совершенствование которых происходит постоянно.

Волоконно-оптические кабели

Практическое использование оптического волокна в качестве среды передачи информации невозможно без дополнительного упрочнения и защиты. Волоконно-оптическим кабелем называется конструкция, включающая в себя одно или множество оптических волокон, а также различные защитные покрытия, несущие и упрочняющие элементы, влагозащитные материалы. По причине большого разнообразия областей применения оптоволокна производители выпускают огромное количество самых разных волоконно-оптических кабелей, отличающихся конструкцией, размерами, используемыми материалами и стоимостью (рис. 9).

Рис.9. Волоконно-оптические кабели

Стекло оптическое бесцветное неорганическое

Описание изделия:

Оптические бесцветные неорганические стекла имеют высокую оптическую однородность, отклонение от которой оценивается десятыми долями процента. Широкая номенклатура оптических стекол определяется многообразием их химического состава. При этом состав стекол каждого типа характеризуется содержанием некоторых элементов периодической системы, меняющихся в относительно небольших количествах. Оптические стекла делятся на две большие группы – кроны и флинты, а стекла каждой группы — на типы.

В зависимости от показателя преломления n_e и коэффициента дисперсии ν_е бесцветные неорганические стекла разделяются на следующие типы:

ЛК — легкие кроны; ФК — фосфатные кроны; ТФК — тяжелые фосфатные кроны; К — кроны; БК — баритовые кроны; ТК — тяжелые кроны; СТК — сверхтяжелые кроны; ОК — особые кроны (с особым ходом дисперсии).

КФ — кронфлинты; БФ — баритовые флинты; ТБФ — тяжелые баритовые флинты; ЛФ — легкие флинты; Ф — флинты; ТФ — тяжелые флинты; СТФ — сверхтяжелые флинты; ОФ — особые флинты (с особым ходом дисперсии).

Стекла каждого типа занимают определенный участок координатного поля показателя преломления n_e и коэффициента дисперсии ν_е на диаграмме Аббе. Стеклам одного типа, но разного химического состава присвоены разные марки, состоящие из букв, принятых для стекла данного типа, и порядковые номера.

Назначение (область применения):

Оптические стекла являются основой оптических приборов. Оптическое неорганическое стекло выпускается в заготовках различных размеров и форм для изготовления линз, призм, пластин и других деталей в наблюдательных приборах:

в измерительных оптических инструментах;

в фотографических и проекционных аппаратах;

в визуальных и автоматических системах любой аппаратуры, принимающей, передающей и трансформирующей по заданному закону оптическое излучение.

Основные виды поставок оптического бесцветного стекла:

Вид поставки	Тип стекла	Размеры, мм
Вид поставки	Тип стекла	Длина (диаметр)	Ширина	Толщина
Блочное стекло	К, БК, ТК, КФ, Ф, ТФ, СТК	от 100 до 250	от 100 до 250	от 50 до 80
Прессовки (линзы, призмы, пластины)	К, БК, ТК, КФ, Ф, ТФ, СТК	от 8 до 100	от 8 до 100	для линз — не менее 3 для пластин — не менее 4

Параметры основных свойств бесцветных оптических стекол:

Силикатные и силикатно-боратные кроны:

ЛК — легкие кроны с показателем преломления n_e ниже 1,500 и коэффициентом дисперсии ν_е выше 67;

К — кроны с показателем преломления n_e в пределах 1,50 – 1,54 и коэффициентом дисперсии ν_е — от 67 – 57;

БК — баритовые кроны с показателем преломления n_e в пределах 1,51 – 1,58 и коэффициентом дисперсии ν_е — от 66,5 – 55,5;

ТК — тяжелые кроны с показателем преломления n_e в пределах 1,51 – 1,58 и коэффициентом дисперсии ν_е — от 66,5 – 55,5;

СТК — сверхтяжелые кроны с показателем преломления n_e в пределах 1,65 – 1,66 и коэффициентом дисперсии ν_е — от 50 – 45;

Силикатные и силикатно-боратные флинты:

КФ — кронфлинты с показателем преломления n_e в пределах 1,50 – 1,55 и коэффициентом дисперсии ν_е — от 63 – 50;

БФ — баритовые флинты с показателем преломления n_e в пределах 1,52 – 1,70 и коэффициентом дисперсии ν_е — от 56 – 31;

ТБФ — тяжелые баритовые флинты с показателем преломления n_e выше 1,8 и коэффициентом дисперсии ν_е ниже 35;

ЛФ — легкие флинты с показателем преломления n_e в пределах 1,55 – 1,60 и коэффициентом дисперсии ν_е — от 50 – 39;

Ф — флинты с показателем преломления n_e в пределах 1,60 – 1,64 и коэффициентом дисперсии ν_е — от 39 – 35;

ТФ — тяжелые флинты с показателем преломления n_e в пределах 1,64 – 1,9 и коэффициентом дисперсии ν_е — от 35 – 22;

СТФ — сверхтяжелые флинты с показателем преломления n_e выше 1,900 и коэффициентом дисперсии ν_е ниже 22;

Несиликатные кроны и флинты:

ФК — фосфатные кроны и ТФК – тяжелые фосфатные с показателем преломления n_e в пределах 1,50 – 1,62 и коэффициентом дисперсии ν_е — от 70 – 64;

ОК — особые кроны (с особым ходом дисперсии) с показателем преломления n_e ниже 1,5 и коэффициентом дисперсии ν_е выше 80;

ОФ — особые флинты (с особым ходом дисперсии) с показателем преломления n_e 1,53 и коэффициентом дисперсии ν_е 51,2.

Подробный Каталог оптического стекла доступен в подразделе «Материалы и документы» раздела «Пресс-центр» данного сайта и по следующей ссылке.

Как приобрести:

+74955521404, +74955529574

Оптическое кольцо высокой доступности | Cloud4Y

При создании отказоустойчивой системы, способной сохранять управляемость и работоспособность при разного рода происшествиях, облачный провайдер должен предъявлять особенно высокие требования к её топологии. Такая отказоустойчивая система предусматривает соединение двух или более дата-центров (ДЦ) и корпоративных сетей при помощи ВОЛС, что позволяет не перевозить компоненты СХД из одного места в другое для создания копий данных.

Двумя основными конкурирующими топологиями соединения ДЦ в корпоративные оптические сети являются «звезда» и «кольцо». В случае выхода из строя какого-либо узла (или части кабельной системы) «кольца» работоспособность сети в целом сохраняется. Кроме того, кольцевая топология является избыточной по числу связей, а значит и более дорогой. В свою очередь, «звезда» несколько лучше приспособлена для предоставления обычной для локальной сети централизованной услуги. Действительно, в локальной вычислительной сети (ЛВС) почти всегда есть сервер или маршрутизатор, для доступа к которому обычно и построена сеть. Сравнительные характеристики топологий «кольцо» и «звезда» представлены в таблице.

Сравнение топологий «звезда» и «кольцо»

Параметр	Звезда	Кольцо
Возможность использования недорогого активного оборудования без поддержки STP	Да	Нет
Сохранение работоспособности всех пользователей сети в случае повреждения кабеля	Нет	Да
Возможность организации дополнительного (резервного) канала без перестройки топологии сети	Нет	Да
Сохранение связи между узлами в случае отказа центрального оборудования	Нет	Да
Возможность строительства магистралей по частям	Да	Нет
Малая зависимость от особенностей места строительства	Да	Нет

Как построено оптическое кольцо

Обеспечение непрерывности работы информационных систем заказчика, размещённых в облаке, является главной целью облачного хостинг-провайдера. Следовательно, повышение уровня SLA является основной задачей.

Создание собственного оптического кольца высокой доступности, схема которого представлена на рисунке, позволило Cloud4Y существенно повысить уровень SLA, который мы гарантируем нашим клиентам.

Оптическое кольцо построено между двумя нашими облаками в Москве, которые физически находятся в ДЦ уровня Tier 3, и узлами коммутации M9 и M10. Технически расстояние между ДЦ может составлять до 100 км, в нашем случае это около 20 км. Основная особенность кольца – отсутствие единой (критической) точки отказа. Оптические каналы полностью дублированы, причём они прокладываются по разным маршрутам и разными операторами.

Благодаря такому решению практически исключается недоступность сервисов в облаке из-за проблем с каналами. Даже в случае выхода из строя одного оптического канала вся работа продолжится по другому контуру. И прерывания не будет. Помимо оптических каналов дублируются все коммутаторы и маршрутизаторы, что также обеспечивает автоматическое переключение на рабочий контур в случае выхода из строя одного из маршрутизаторов или коммутаторов. Помимо проблем с каналами, данная схема позволяет исключить ущерб от земляных работ, которые по каким-то причинам проводятся именно там, где лежит ВОЛС.

Общая пропускная способность оптического кольца составляет 180 Гбит/с, из которых 120 Гбит/с – пропускная способность между ДЦ, 20 Гбит/с – между первым ДЦ и узлом коммутации М10, 20 Гбит/с – между узлами коммутации М10 и М9 и 20 Гбит/с – между узлом коммутации М9 и вторым ДЦ. Каждый из маршрутов состоит из физически независимых друг от друга оптоволоконных пар, которые агрегируются в общий канал на корневых маршрутизаторах.

Вся сеть физически разделена на внутреннюю и внешнюю, разные интерфейсы серверов подключены в разные коммутаторы и работают в разных сетях. По внешней сети серверы общаются с интернетом, по внутренней сети все серверы общаются между собой. Серверы подключены в коммутаторы уровней L2 и L3, которые, в свою очередь, подключены как минимум двумя 10-гигабитными линками к агрегирующему стеку коммутаторов. Каждый линк идет к отдельному коммутатору в стеке.

Оборудование для оптического кольца высокой доступности

Оптическое кольцо выполнено на коммутаторах компании «Extreme» серии Summit. Помимо базовой функциональности, основанной на поддержке стандартных Ethernet технологий, в коммутаторах Summit реализована технология RPR (Resilient Packet Ring). Эта технология позволяет коммутаторам образовывать кольцевую топологию, обеспечивать восстановление работоспособности за время менее 50 мс и эффективно использовать пропускную способность в кольцевых структурах.

Коммутаторы Summit могут иметь до 24 слотов mini-GBIC для установки интерфейсных модулей 1000Base-X, 4 порта 10/100/1000Base-T и 2 слота для установки интерфейсных модулей 10GBase-X (XENPAK). Пропускная способность коммутирующей матрицы — 160 Гбит/с, пропускная способность на L3 — 65 миллионов пакетов/с. В коммутаторах поддерживаются протоколы RIPv1/2, OSPF, BGP-4, PIM-SM, IGMP, различные технологии обеспечения QoS на L1-L4, в том числе ограничение полосы пропускания с шагом 64 Кбит/с (1 Мбит/с на каналах 10 Гбит/с), 8 аппаратно обслуживаемых очередей на каждом порту. Предусмотрено резервирование источников питания, подключение внешних источников питания, резервирование банков памяти для хранения конфигурации и образа операционной системы ExtremeWare XOS.

В решении предусмотрена возможность подключения к каждому узлу магистрального кольца по оптическим интерфейсам агрегирующих узлов. К каждому агрегирующему коммутатору по оптическим интерфейсам могут подключаться коммутаторы доступа для подключения пользователей.

Как работает отказоустойчивое кольцо

Технология RPR базируется на стандартном механизме Ethernet-коммутации второго (канального) уровня, дополненном алгоритмом фирмы RAD Data Communications. Последний позволяет всем узлам кольца получать информацию о состоянии сети и в случае аварии или нештатной ситуации быстро переводить трафик на альтернативный маршрут.

Узел кольца RPR – это сетевое устройство, функционирующее как обычный коммутатор на втором уровне. Каждый узел имеет два магистральных порта для передачи трафика по кольцу, а также порты доступа, через которые трафик вводится в кольцо, и пользовательские порты для доставки трафика конкретных услуг. В штатном режиме все узлы RPR обмениваются специальными служебными сообщениями. Каждый узел через определенные промежутки времени передает сообщение о состоянии канала (link state) через оба своих магистральных порта.

Даже если сообщение о состоянии кольца отсутствует, узел должен посылать сообщения «keep-alive», по котором соседний узел понимает, что все в порядке. При получении узлом служебного сообщения с указанием того, что его сосед тоже получил такое сообщение, он считает кольцо функционирующим нормально. Канал считается аварийным, когда узел получает соответствующее сообщение или когда узел вообще не получает никаких служебных сообщений в течение 30 мс. В этом случае трафик пускается в обратном направлении в обход аварийного участка. Такой алгоритм позволяет сочетать простоту обычной коммутации с возможностью быстрой перемаршрутизации трафика в случае сбоя.

Новые технологии на защите бесперебойности работы систем

Дополнительно Cloud4Y используется соединение дата-центров четырьмя агрегированными 10GE каналами (2 на СХД, 2 на данные). Для этого мы задействовали связку коммутаторов Cisco Nexus и Juniper QFX.

Управляемый высокопроизводительный коммутатор ядра сети, распределения и агрегации Cisco Nexus поддерживает интерфейсы 1, 10, 40 Gb/s, обеспечивает минимальную задержку при коммутации и маршрутизацию на максимальной скорости для всех интерфейсов, при этом обладает высокой энергоэффективностью. Juniper QFX создавался с учетом требований по отказоустойчивости, включая использование резервных источников питания и резервирования систем охлаждения. Поддерживает увеличенные таблицы MAC-адресов, что позволяет использовать его в средах с большим количеством виртуальных серверов. При этом он является высокопроизводительным и многофункциональным решением уровня L2 и L3 и тоже обладает высочайшей энергоэффективностью.

Таким образом, оптическое кольцо высокой доступности позволяет повысить уровень доступности сервисов в облаке (SLA) до значения 99,99% и выше. Это означает, что появляется уникальная возможность адаптировать уровень SLA облачных сервисов к требованиям отдельных заказчиков и отраслей, что является огромным конкурентным преимуществом. Благодаря адаптируемым SLA у облачных провайдеров появляется способ дифференциации, который выгоден как для них самих, так и для клиентов.

Не всем заказчикам нужны одинаково высокие гарантии безотказной работы. Например, для заказчика, который пользуется облачной платформой Cloud4Y для тестирования приложений, в большинстве случаев не требуется такой же высокий SLA, как для заказчиков, которые размещают в облаке критически важные системы. Понимание этого факта позволит заказчикам существенно снизить свои расходы на IT, а облачные провайдеры могут предложить клиентам необходимый уровень обслуживания и специальные цены в соответствии с выбранным уровнем SLA.

Интересно, что два года назад мы рассказывали о том, что многие облачные провайдеры не верили в SLA 99.9%. Нам казалось это странным и удивительным. Как показало время, позиция Cloud4Y оказалась верной — теперь провайдеры стремятся не просто к 99,9%, но и более высоким значениям. А это означает, что клиенты облачных провайдеров получают всё более надёжные и стабильные решения.

Полимерные оптические волокна | Hyperline

Ларин Ю.Т.
Нестерко В.А.

Оптические волокна по виду применяемого материала можно разделить на волокна из неорганического и органического стекла. Неcмотря на то, что достигнут значительный прогресс в производстве оптических волокон высокой прочности из неорганических стекол, их небольшое относительное удлинение при разрыве ограничивает диаметр волокна, исходя из практических требований к радиусу изгиба. Кроме того, поверхность световода из стекла необходимо защищать от влияния внешней среды с помощью полимерного покрытия.

Полимерные оптические волокна (ПОВ) обладают исключительной гибкостью при относительно больших диаметрах и способностью выдерживать без разрушения многократный изгиб. Так, радиус изгиба ПОВ диаметром 0,75 мм определяется оптическими, а не механическими свойствами. При диаметре 1,5 мм минимально допустимый радиус изгиба этих материалов равен 8 мм. Кроме того, они обладают малой плотностью, хорошей механической прочностью, радиационной стойкостью, технологичны. Из существующих типов оптических волокон наибольшее относительное удлинение имеют полимерные волокна (рис. 1). В частности, ПОВ из метилметакрилата могут выдерживать обратимые деформации, равные 13%. У более хрупких полимеров, таких, как полиэфир, упругая деформация составляет 6%. Путем предварительной ориентации молекул полимера можно подавить рост микротрещин и увеличить эластичность.

Рис. 1. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении в оптических волокнах от относительного удлинения.
1 — кварцевое волокно, 2 — полимерное волокно с сердечником из полиметилметакрилата

Показатель преломления изменяется от 1,32 — для материалов на основе акрилатов со значительными добавками фтора; до 1,6 — для некоторых фенольных смол. Большой апертурный угол (около 60°) облегчает процесс согласования ПОВ при их соединении, что снижает требования к точности изготовления элементов соединителя. Оптические соединители для ПОВ изготовляют из термопластичных материалов методом литья под давлением, что снижает их стоимость. Высокие оптические потери и температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), низкая абразивная прочность, склонность к быстрому старению, малый коэффициент широкополосности сужают область их применения. В основном они используются в системах связи и освещения, автомобилестроении, медицине, для изготовления датчиков, информационных табло и панелей, бытовых электроприборов и пр.

ПОВ применяются в локальных волоконно-оптических системах связи на участках длиной до 3 км, а также для внутриобъектовой связи. Стоимость кабелей на их основе на 70-90% дешевле, чем кабелей на основе кварцевых волокон.

На основе ПОВ изготовляют гибкие изолирующие вставки, которые применяются на электрических подстанциях для обеспечения безопасности персонала, обслуживающего системы управления мощными выключателями.

Высокая гибкость ПОВ позволяет выпускать волокна диаметром свыше 400 мкм, что облегчает условия ввода в них излучения и стимулирует их применение.

Оптические свойства полимеров

ПОВ предназначены в основном для работы в видимой области спектра. За пределами видимой области в ультрафиолетовой и ближней инфракрасной зонах светопропускание используемых полимеров падает и эффективность их применения снижается (рис. 2).

Оптические потери ПОВ состоят из собственного поглощения, которое зависит от структуры и качества материала и несобственного поглощения, определя- емого загрязнениями металлами переходной группы и оптическими примесями. Кроме того, несобственные потери вызывают неровности на границе сердцевины и оболочки, а также двойное лучепреломление материала.

Влияние несобственных факторов можно уменьшить за счет усовершенствования технологии изготовления ПОВ.

Таким образом, предельные характеристики потерь ПОВ могут быть установлены, если принимать во внимание потери на собственное поглощение и рассеяние материала. Поглощение света полимером в ИК-области спектра связано с возбуждением колебаний молекул. В ближней и средней ИК-областях (0,75-25 мкм) проявляются внутримолекулярные колебания, при которых меняется относительное расположение ядер атомов, составляющих молекулу.

Рис. 2. Зависимость мощности передаваемого сигнала на выходе ОВ от длины волны. 1 — кварцевое ОВ; 2 — ПОВ

Такие колебания сопровождаются изменением длин связей, соединяющих атомы (валентные колебания), и валентных углов между связями (деформационные колебания).

В каждом молекулярном колебании принимают участие в той или иной степени все атомы молекулы. Тем не менее, можно выделить такие колебания, в которых участвуют главным образом определенные атомы или группы атомов, роль остальных атомов молекулы оказывается незначительной. Частоты этих колебаний сохраняются в спектрах различных соединений и называются характеристическими.

В спектрах поглощения тем больше полос и меньше окон прозрачности, чем сложнее химическое строение полимера (наличие в его макромолекуле ароматических колец, гетероатомов, кратных связей и пр.).

Макромолекулы с одной и той же химической структурой, но различной конфигурацией или конформацией (молекулы одной и той же химической структуры, отличающиеся геометрической формой благодаря возможности поворотов отдельных звеньев вокруг простых связей, соединяющих эти звенья) имеют разные колебания, а, следовательно, и различия в спектрах поглощения. Полимерные цепи могут содержать также примесные группы разного происхождения. Эти группы в молекулах полимера могут появиться в процессе полимеризации или образоваться в результате деструктивных и окислительных процессов при его переработке.

Кроме того, полимеры могут содержать остатки инициаторов, растворителей, катализаторов, а также специальные добавки. Добавки вводят для сохранения свойств полимеров при их переработке и эксплуатации (стабилизаторы) или для модификации свойств полимерного материала (пластификаторы, наполнители, красители, антистатики и пр.). Все соединения, которые образуются или вводятся в полимеры, в той или иной мере влияют на их оптические свойства.

Группы, избирательно поглощающие в этих областях спектра и определяющие окраску соединения (если поглощение оказывается в видимой области), называются хромофорами. Как правило, этот термин относится к группам, обусловливающим поглощение в интервале длин волн от 0,2 до 1,0 мкм. Присутствие в молекуле вблизи хромофорных групп других групп — таких, как ОН, Nh3, ОСh4, увеличивает длину волны поглощения (батохромный эффект). Такие группы, которые сами не поглощают, но повышают интенсивность поглощения и смещают его в длинноволновую область спектра, называют ауксохромами. Смещение полос поглощения и изменение их интенсивности наблюдается и при взаимодействии хромофорных групп между собой.

Если исходить из предпосылки, что состояние молекулярных связей у полимеров при температуре выше температуры стеклования сохраняется, то можно считать, что потери на собственное рассеяние у полимерных материалов обусловлены рэлеевским рассеянием, возникающим вследствие флуктуации плотности полимеров. У аморфных полимеров отмечаются лишь обычные флуктуации плотности, которые можно наблюдать в жидком состоянии, и не зафиксировано анизотропии, не свойственной жидкости. Существенные структурные изменения у жидкого и твердого аморфного полимера отсутствуют.

Рассеяние (мутность), обусловленное флуктуациями плотности изотропной жидкости, можно описать уравнением:

где k — постоянная Больцмана;
Т — абсолютная температура;
lо — длина волны в вакууме;
n — показатель преломления.

В ультрафиолетовой и видимой областях спектра так же, как и в инфракрасной, возможно появление постороннего примесного поглощения, которое ухудшает оптические свойства полимеров и может вызвать окраску. Примесные группы могут возникнуть не только в процессе полимеризации, но и в результате структурных превращений в полимере и при переработке или старении, что часто приводит к окрашиванию полимеров.

Значительные потери возникают при загрязнении материалов примесями, электронные переходы которых поглощают энергию в диапазоне 0,5-1,0 мкм. Из примесей следует отметить, прежде всего, гидроксильную группу и ионы переходных металлов — железа, хрома, меди, марганца, титана, ванадия, кобальта, никеля и пр. Влияние некоторых перечисленных примесей на затухание ПОВ довольно значительно. Причем наиболее критическими примесями являются ионы железа и хрома. Зависимость показателя преломления от длины волны для наиболее распространенных оптических полимерных материалов и неорганических стекол приведена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость показателя преломления (а) и дисперсии (б) различных веществ от длины волны.
1 — полиметилметакрилат; 2 — кварц; 3 — полистирол; 4 — флинт

Изменение показателя преломления от температуры для прозрачных полимерных материалов составляет обычно (1-2)*10-4 на 1°С, то есть на порядок выше соответствующего температурного коэффициента лучших неорганических стекол.

Резкое увеличение дисперсии в сторону коротких волн (рис. 3, б) связано с влиянием края сильного поглощения в УФ-области. Для полистирола этот край ближе к видимой области, чем для акриловых полимеров, поскольку последние обладают большей прозрачностью в УФ-области.

Актуальной технической задачей является создание материалов с заданными значениями показателей преломления. Для этого можно использовать сополимеры, показатели преломления которых занимают промежуточное положение между значениями для гомополимера.

С целью повышения показателя преломления в полимерные материалы вводят ароматические кольца, галогены (кроме фтора). Уменьшение показателя преломления до минимальной величины достигается введением фтора.

Показатель преломления зависит от метода полимеризации, влияющего на структуру полимера, от содержания незаполимеризовавшегося мономера и других факторов. Диффузия остаточного мономера к поверхности образца и его испарение с поверхности могут приводить к неоднородности материала по показателю преломления. Как правило, колебания показателя преломления проявляются в четвертом десятичном знаке.

Влияние температуры на характеристики полимеров для ПОВ

Применение ПОВ в автомобилестроении и аэрокосмической технике требует обеспечения их длительной эксплуатации при температурах 80-140°С. Возможность работы полимера при повышенной температуре определяется температурой стеклования Тg. Для полистирола и полиметилметакрилата Тg равна 100-105°С. Однако наличие в этих материалах даже 1% свободного мономера оказывает на них пластифицирующее действие, которое уменьшает Тg до 90°С и даже ниже.

Рэлеевские потери увеличиваются с повышением температуры, однако этот процесс до Тg незначителен. Увеличение потерь на рассеяние является процессом обратимым, однако, воздействие повышенной температуры в течение длительного периода времени может привести к окислению материала и уменьшению прозрачности, особенно в УФ-области спектра.

Повышенная температура отрицательно влияет на механическую прочность ПОВ и ускоряет процессы релаксации. Последний процесс — установление термодинамического равновесия (полного или частичного) — необратимый.

При создании теплостойких полимеров для ПОВ необходимо уделять внимание связи между Тg и эластичностью материала. Эта связь очень сложна и определяется не только молекулярным весом и его распределением, но и образованием сетки волосных трещин, механизмом повышения прочности за счет ориентации молекул. Полимеры с малым значением Тg имеют при комнатной температуре более высокую эластичность, чем полимеры с высоким значением Тg.

Материалы, применяемые для изготовления ПОВ

Химические формулы мономеров, из которых получены оптические полимерные материалы и световоды, приведены в таблице.

Одной из основных проблем при разработке технологии изготовления ПОВ является выбор исходных материалов. До настоящего времени единой схемы выбора не существует. Можно считать, что решающее значение имеют атомный состав, молекулярная структура и степень чистоты материалов. Эти факторы определяют весь комплекс термодинамических, физико-механических и оптических свойств полимеров для ПОВ. Материалы должны обладать высокой степенью аморфности, обеспечивающей отсутствие способности к кристаллизации как в условиях эксплуатации, так и при воздействии низких и высоких температур, механических деформаций (растяжение, изгиб, сжатие), которым подвергаются оптические волокна при изготовлении. Высокая степень аморфности способствует достижению полимерами идеального стеклообразного состояния с высоким светопропусканием и минимальным рассеянием, что особенно важно при использовании ПОВ в видимой и УФ-области спектра.

Атомный состав и молекулярная структура обусловливают реологические свойства полимеров. Влияние молекулярно-массового распределения на свойства ПОВ пока еще детально не изучено. Материалы для ПОВ, кроме рассмотренных выше требований, должы быть взаимно совместимы, так как ПОВ являются двух- или многокомпонентными изделиями. Материалы сердцевины и оптической оболочки должны совмещаться по реологическим характеристикам. Соответствие этих материалов по реологии особенно важно при изготовлении ПОВ методом экструзии.

Для того чтобы в процессе получения ПОВ была сформирована бездефектная граница раздела, полимеры должны иметь высокие адгезионные свойства. В то же время материалы должны обладать взаимной химической индифферентностью и малой растворимостью. В противном случае произойдет размывание отражающей границы раздела сред, что приведет к высоким потерям на излучение. Материалы сердцевины и оптической оболочки должны совмещаться между собой по ТКЛР. Если ТКЛР оболочки меньше, чем у сердцевины, оболочка находится в сжатом состоянии, что повышает механическую прочность ПОВ.

Количество материалов, применяемых при изготовлении ПОВ, достаточно велико. ПОВ изготавливают путем комбинирования этих материалов, один из которых используют для получения сердцевины, а другой для получения оптической оболочки.

Материалы для сердцевины ПОВ

Одно из первых мест среди прозрачных полимерных полимеров занимает полиметилметакрилат (ПММА). Отличительной его характеристикой является высокая прозрачность и атмосферостойкость (по сравнению с другими прозрачными полимерами). Термостабильность ПММА определяется реакцией деполимеризации. Интенсивная деструкция ПММА происходит при 250°С. Гораздо раньше наблюдается выделение летучих компонентов и образование пузырей. При температуре выше 230°С появляется желтое окрашивание.

Недостатком ПММА является значительная краевая неоднородность (градиент показателя преломления), объясняемая испарением остаточного мономера и поглощением влаги. С целью повышения теплостойкости ПММА модифицирует используя: сополимеризацию метилметакрилата с a-метилстиролом; растворение поли-a-метилстирола в мономерном метилметакрилате с дальнейшей полимеризацией метилметакрилата; сополимеризацию метилметакрилата с амидом N-аллималеиновой кислоты; сополимеризацию метилметакрилата с a-метилстиролом и имидом малеиновой кислоты. Перечисленные способы позволяют улучшить теплостойкость получаемых полимеров, однако они являются недостаточными по нескольким причинам. Например, скорость полимеризации и эффективность исключительно малы, так что их практическое применение незначительно. Полученные полимеры обладают плохими механическими и оптическими свойствами, подвержены заметному изменению цвета при переработке.

Для предотвращения ухудшения характеристик полимера при тепловой обработке в его состав вводят антиокислители типа сложного эфира фосфорной кислоты (трикрезилфосфит, крезилфосфит и др.), фенола, серы и амина. Полимер может быть получен реакцией полимеризации эмульсии, суспензии, объемной полимеризации и пр. Показатель преломления полимера — 1,53.

Полимерные материалы на основе алкилметакрилатов, относящихся к классу предельных углеводородов, характеризуются высокими значениями Tg. Эти материалы разработаны фирмой Sumitomo Chemical Co (Япония). В структуру материала входят: А — алициклическая углеводородная группа, R — алкильная группа (алифатический одноатомный радикал). Фирма предложила вводить в метилметакрилат сополимеры и трехзвенные полимеры (полимеры из трех мономеров) борнил-, ментол-, фенхол-, адамантилметакрилаты. Применение этих материалов в качестве сердцевины ПОВ позволяет эксплуатировать волокна при температуре 150°С (в качестве материала оптической оболочки используют различные сополимеры винилиденфторида). Коэффициент затухания ПОВ с сердцевиной из этого материала остается постоянным даже при воздействии температуры 125°С в течение 6-и часов. Недостаток этих материалов в достаточно высоком коэффициенте затухания — 350-500 дБ/км при комнатной температуре.

Для использования ПОВ на основе полиметилметакрилата в ближней ИК-области с минимальными потерями на абсорбцию его подвергают специальной обработке с целью замены водорода дейтерием (дейтерированный ПММА). Потери в ПОВ с сердцевиной из дейтерированного ПММА (ПММА-Д8) имеют минимум на длине волны 0,68 мкм, равный 20 дБ/км. Однако этот материал очень чувствителен к влиянию воды, и его потери в видимой и ближней ИК-области могут резко возрасти. Полистирол (ПС), второй по прозрачности и распространенности среди органических стекол, незначительно отличается от ПММА по механическим свойствам. В видимой области спектра ПС имеет практически ту же прозрачность, что и ПММА. Желтизна ПС растет при его термоокислении. Ярко выраженное окрашивание наблюдается после выдержки ПС при 180-190°С в течение нескольких часов. Длительный нагрев (примерно 1000 ч) при умеренных температурах (около 60°С) почти не влияет на свойства ПС. Полистирол обладает высокой водостойкостью и морозостойкостью. Его свойства не изменяются при длительной выдержке в воде при температуре 50°С. Один из недостатков ПС — его малая атмосферостойкость. При совместном действии прямого солнечного света, влаги и тепла механические свойства значительно ухудшаются уже через несколько суток. С течением времени наблюдается сильное пожелтение полимера, уменьшается его прозрачность. Это практически исключает использование ПС на открытом воздухе. Минимальное значение коэффициента затухания 140 дБ/км получено на длине волны 0,67 мкм.

Преимущество ПС перед ПММА в том, что он намного легче поддается очистке. Для получения ПС достаточно нагреть его мономер. Коэффициент преломления у ПС — наибольший среди полимерных материалов, применяющихся для изготовления ПОВ.

ПС легко получить методом термоинициирования (ПММА — сложнее), его гигроскопичность на порядок меньше аналогичного показателя ПММА, а показатель преломления выше. Но ПС уступает ПММА по светопропусканию, термостойкости и механическим свойствам.

Недостатком ПММА и ПС их сополимеров являются сравнительно низкие теплостойкость и ударопрочность. Существенно выше эти показатели у поликарбонатов (ПК).

ПК относится к аморфным полимерам с незначительными оптическими потерями на рассеяние, обусловленными флуктуацией плотности, а также высокой когезионной энергией молекул. Поэтому он может рассматриваться в качестве материала для изготовления высокопрозрачного и термостойкого ПОВ.

Интервал рабочих температур ПК — от минус 120 до плюс 140°С. Для изделий из ПК характерны стабильность размеров, малая ползучесть. Физико-механические свойства стабилизированного ПК практически не изменяются после двухлетней экспозиции в условиях атмосферного старения. По прозрачности ПК несколько уступает ПММА и ПС.

Окно прозрачности с минимальными потерями для ПОВ на основе ПК находится на длине волны 0,765 мкм, а потери составляют 0,8 дБ/м.

Полимерные материалы для оптической оболочки ПОВ

Основные требования к материалам оптической оболочки ПОВ: показатель преломления должен быть меньше, чем показатель преломления сердцевины при высокая стойкость к загрязнению; технологичность, обеспечивающая стабильность геометрических размеров; высокая прозрачность для уменьшения потерь, обусловленных рассеянием света на границе раздела сердцевина — оптическая оболочка; достаточно высокая термостойкость; совместимость с материалом сердцевины.

В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяет кристаллический полимер поли-4-метилпентен-1. Однако на границе раздела между аморфной сердцевиной и кристаллической оболочкой вследствие различия модулей упругости материалов могут возникать зазоры, что вызывает увеличение потерь. С этой целью поли-4-метилпентен-1 дополнительно обрабатывают.

Коэффициент затухания ПОВ с оболочкой из данного материала и сердцевиной из ПММА в смеси с метакрилатным сложным эфиром при 25°С составляет 210 дБ/км.

В качестве оболочки ПОВ могут также применяться: фторалкилметакрилаты совместно с винилиденфторидом со статическими связями; фторсодержащие полиолефины с привитым силановым полимером, сшитым молекулами воды.

Материалы буферного и защитных покрытий оптических волокон

Первичное защитное покрытие (ПЗП) наносится на поверхность ПОВ при его непосредственном изготовлении в едином технологическом процессе. Оно предназначено защищать ОВ от механических повреждений, влаги и других внешних факторов.

Существует несколько важных требований к полимеру, используемому для первичного покрытия. Он должен быть стоек при воздействии рабочих температур; реагенты должны быть жидкими при комнатной температуре и иметь достаточно низкую вязкость для наложения на световод в виде пленки толщиной 10-50 мкм концентричным слоем, постоянным по толщине. Реагирующие компоненты материала должны полностью превращаться в твердый полимер (свободный от растворителя или продуктов реакции) с гладкой поверхностью. Время полимеризации должно быть соотнесено со скоростью вытяжки ОВ. Показатель преломления полимера должен быть не менее 1,43. ПЗП должен иметь хорошую адгезию к материалу оптической оболочки световода и быть эластичным.

Первое защитное покрытие, как и другие виды покрытий, при его наложении на световод не должно вызывать остаточных напряжений по всей его длине или в локальных точках. Полимерное покрытие должно легко сниматься с поверхности волокна. При выборе материала необходимо учитыватьТКЛР, который должен приближаться к ТКЛР материала световода.

Большей частью в качестве материала световода ПЗП используются лаки. По способу полимеризации они делятся на материалы теплового и ультрафиолетового (УФ) отверждения. К первым из них можно отнести силиконовые компаунды, превращающиеся в мягкую, прозрачную, каучукоподобную композицию.

Материалы ПЗП УФ-утверждения включают в себя кремнийорганические компаунды эпоксиакрилаты, уританокрилаты. Они обладают существенным преимуществом по сравнению с материалами теплового отверждения, заключающимся в высокой скорости полимеризации, а также лучшую однородность покрытия, так как отверждение происходит практически мгновенно и при низкой температуре.

В качестве ПЗП могут выступать металлы и неорганические соединения.

Металлы наносят на поверхность ОВ в процессе его вытяжки. Используются следующие металлы: олово, индий, свинец и алюминий. Неорганические ПЗП выполняются из SiN4, SiC, TiC, TiO2. Разработана технология покрытия световодов оболочкой из углерода.

При изготовлении ОВ с многослойным защитным полимерным покрытием в некоторых случаях между основными слоями наносят дополнительный промежуточный, получивший название буферного. Материал буферного слоя должен иметь высокое значение модуля Юнга и играть роль демпфера, уменьшающего воздействие защитных оболочек на ОВ. Буферный слой выполняется из мягкого полимерного материала, например из кремнийорганических или уретанакрилатных композиций.

ЛИТЕРАТУРА:

Патент Японии 3095888 10.10.2000. Способ изготовления оптических волокон с введенными группами формила.
Патент Японии 3095902 10.10.2000. Способ изготовления оптических волокон с введенными карбоксигруппами.
Патент Японии 2964702 18.10.1999. Пластиковое оптическое волокно.
Патент Германии 19822684 09.12.1999. Способ получения нужного профиля гродиета показателя преломления в полимерных оптических волокнах.
Патент Японии 2940645 25.08.1999. Термостойкое пластиковое оптическое волокно.
Патент Японии 2945108 06.09.1999. Способ изготовления пластикового оптического волокна.
Патент Японии 2893046 17.05.1999. Способ изготовления полимерного материала с распределенным показателем преломления.
Патент РФ 2018890 30.08.1994. Полимерное оптическое волокно.
Thermally stable high-bandwidth graded-index polymer optical fiber / Sato Masataka, Ishigure Takaaki, Koike Yasuhiro // J. Lightwave Technol. — 2000. — 18, № 7. — С. 952-958. — Англ.
First plastic optical fibre transmission experiment using 520 nm LEDs with intensity modulation/direct detection / Matsuoka T., Ito T., Kaino T. // Electron. Lett. — 2000. — 36, № 22. — С. 1836-1837. — Англ.
Вездесущий пластик / Айноу Тед (Москва, а/я 41, info@ccc. ru) // Сети и системы связи. — 2001. — № 1. — С. 42-45. — Рус.
Performance and reliability of graded-index polymer optical fibers / Blyler Lee L. et. al.// Proc. 47th Int. Wire and Cable Symp., Philadelphia, Pa, Nov. 16-19, 1998. — Philadelphia (Pa), 1998. — С. 241-247. — Англ.

Статья предоставлена порталом о Радиоэлектронике и Телекоммуникациях www.informost.ru

Преимущества и недостатки оптических волокон

Главная

Оптическое волокно с каждым днем набирает все большую популярность как среда для передачи информации. Это обусловлено множеством преимуществ по сравнению с медными парами. Рассмотрим основные преимущества и недостатки оптических волокон.

Преимущества оптических волокон:

Помехозащищенность.

Никакие виды электромагнитных помех не влияют на качество передачи информации в оптическом волокне. Благодаря этому, оптическое волокно может располагаться вблизи таких мощных источников электромагнитных помех как: радиоантенны, неоновая реклама, оборудование АТС (особенно декадно шаговых), станки на заводах и др. Кроме того, многие ЛЭП уже имеют в своем составе ВОЛС, вмонтированную в грозо трос.

Вследствие того, что оптическое волокно не проводит электрический сигнал, то обеспечивается полная гальваническая развязка между передатчиком и приемником. Это облегчает схема технику канало образующего оборудования.
Электро магнитная совместимость и информационная безопасность

Оптическое волокно не только не чувствительно к внешним электро магнитным воздействиям, но и само не излучает никаких сигналов в окружающую среду. Последнее существенно усложняет перехват информации, которая передается по оптическому волокну. Для того, чтобы перехватить информацию, необходимо удалить слой за слоем оболочку оптического кабеля до самого оптического волокна. (см рисунок 1). Далее необходимо изогнуть оптическое волокно, после чего часть сигнала будет выходить за пределы волокна. Эта часть излучения и может быть перехвачена. Вместе с тем, этот изгиб (макро изгиб) оптического волокна легко зафиксировать при помощи оптического рефлектометра. В отличии от этого, подняв в неподходящий момент трубку домашнего аналогового (если у кого-то остался) телефона можно случайно «подслушать» соседа, или послушать радио.

Рисунок 1 – оптоволоконный кабель

Такой способ «врезки» в оптическое волокно активно используется связистами для организации служебного канала связи. В качестве устройства для ответвления трафика в этом случае используются ответвители-прищепки.

Оптическое волокно имеет малое погонное затухание. Уровень затухания сигнала зависит от рабочей длины волны, но он имеет намного меньшие значения чем медный кабель. Вследствие этого, возможна организация протяженных высокоскоростных систем передачи. (Например, применение одного оптического усилителя позволяет передавать цифровую информацию со скоростью до 10 Гбит/с на расстояние до 250 км.)
Оптические волокна имеют большую широкополосность и пропускную способность. Благодаря улучшенной очистке оптического волокна, удалось расширить количество окон прозрачности, что привело к появлению систем волнового уплотнения WDM (СWDM, DWDM. DWDM мультиплексирование позволяет по одному оптическому волокну организовать до 160 независимых каналов передачи, в каждом из которого передавать информацию со скоростью до 40 а то и больше Гбит/с.
Оптические кабели имеют меньшие габариты и вес, а зачастую и стоимость.

Недостатки оптических волокон

Основным недостатком оптических волокон являются повышенные требования к обслуживающему персоналу как на этапе монтажа оптического кабеля, так и в ходе обслуживания. Львиная доля повреждений в ВОЛС как раз и связана с недостатком знаний и навыков по работе с активными и пассивными компонентами ВОЛС. Среди основных проблем, которые допускаются по незнанию или халатности можно выделить грязные коннекторы и макро изгибы.

Рисунок 2 – грязный коннектор

Еще одним недостатком является появление микротрещин и повышение затухания оптического волокна за счет водородной коррозии. Распространенным заблуждением является утверждение, что оптическое волокно не боится попадания воды в оптическую муфту. Посмотрим на рисунок 3.

Рисунок 3 – зависимость погонного затухания в оптическом волокне от длины волны

На рисунке видно три “холма”, которые называются также водяными пиками. Эти повышения потерь обусловлены повышенным содержанием в сердцевине оптического волокна примесей SiOH. Если разобраться в химической формуле, то:

Si – кремний, его достаточно в оптическом волокне. (это основной элемент, из которого оно изготовлено)
О – кислород
Н – водород.

Если теперь обратить внимание на формулу воды Н₂О, то видим, что в ней присутствует и кислород и водород. Конечно, сигнал передается только в сердцевине оптического волокна, поэтому требуется время чтобы под воздействием внешних факторов из воды и кремния получится SiOH, а после произошла диффузия этой примеси в сердцевину оптического волокна через его оболочку и буферный слой. В результате – вода негативно влияет на характеристики оптического волокна, однако, в отличие от медного кабеля, такое воздействие имеет отсрочку во времени и необратимо.

Вебинар “Теоретические основы передачи информации по оптическому волокну”

Стенограмма вебинара «Механизмы возникновения потерь и отражений сигнала в оптическом волокне»

0:0:01

В данном вебинаре будут рассмотрены теоретические основы передачи информации по оптическому кабелю. Рассмотрим как происходит распространение сигнала по оптическому волокну и что приводит к основным проблемам: отражениям и потерям. Поговорим также о том, какие эффекты приводят к возникновению потерь и отражений.

0:0:31

Начать хотелось бы с преимуществ оптического волокна, но, конечно же, по сравнению с медными парами.

Никакие виды электромагнитных помех не влияют на качество передачи в оптическом волокне. Это и приводит к тому, что оптическое волокно сейчас очень часто встраивается в грозотрос, который используется в высоковольтных системах передачи электроэнергии. Также оно может быть размещено в любых местах, где есть очень большие импульсные или другие электромагнитные помехи. Например, на заводах, где есть станки с ЧПУ, пусковые эффекты приводят к выбросам электромагнитных помех при переходных процессах. Также неоновая реклама создаёт помехи, телефонная станция, особенно декадно шаговая, создаёт импульсные и другие помехи. Очень много примеров, где есть очень большие электромагнитные помехи. Оптическое волокно не принимает на себя этих помех, и передача информации абсолютно не зависит от того, есть ли эти помехи вокруг оптического волокна или нет.
Обеспечивается полная гальваническая развязка между передатчиком и приёмником. Может быть, нам как пользователям, это не сильно важно, но разработчикам систем это крайне важно. Потому как сама собой решается задача не пропустить питающее напряжение одного устройства — передатчика в приёмник. Оптическое волокно не является в данном случае проводником электрических сигналов, поэтому эта проблема решается сама собой.

0:02:21

3. Хотелось бы сказать про информационную безопасность. Оптическое волокно не только не принимает на себя никаких помех, но и само не выдаёт в эфир ничего. Поэтому и затрудняется съём информации с оптического волокна. По сути, чтобы подслушать, что идёт в оптическом волокне, необходимо:

разделать оптический кабель
- снять верхнюю оболочку кабеля
- снять оболочку с модуля или тубу (как его ещё называют)
взять конкретное оптическое волокно и изогнуть его

В этом случае на изгибе свет из оптического волокна выходит или может выйти. Его можно перехватить или подслушать, если это разговор. Кстати, на изгибе можно как вывести сигнал из волокна, так и ввести его туда. Но факт в том, что такой изгиб оптического волокна уже является повреждением, так называемым — макроизгибом. Его легко обнаружить даже самыми простыми оптическими рефлектометрами примерно за 2000 долларов. Поэтому очень легко решается вопрос локализации места, где произошла такая ситуация в отличие от медных кабелей. Имеется ввиду, что чтобы снять информацию с медной пары, не надо даже прикасаться к ней. Поэтому очень сложно обнаружить такие устройства. На некоторых конференциях мне приходилось общаться с представителями компании, которая занимается информационной безопасностью, которая защищает информацию от подслушивания, съёма информации, оптических линий, помещения, компьютера и т. д. Для передачи информации они рекомендуют использовать только оптическое волокно.