CC BY
87
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
ВОЗМОЖНЫЙ РИСК НЕПРАВИЛЬНОГО ПРИЁМА ИНФОРМАЦИИ ПО ОПТИЧЕСКОМУ КАБЕЛЮ ПРИ
ГРОЗОВЫХ РАЗРЯДАХ
Соколов С.А., д.т.н., профессор Московский технический университет связи и информатики, stanislav.a.sokolov@gmail.com
Ключевые слова:
оптический кабель, молния, электромагнитное поле, поляризация, гамма-излучение
АННОТАЦИЯ
В настоящее время большинство наиболее важных проводных линий связи - это оптические линии. Под действием внешних электромагнитных полей в оптическом волокне происходит поворот плоскости поляризации распространяющегося света. При наличии в линии компонент, чувствительных к поляризации, это может привести к ошибкам при приёме. Если в линии используется волновое уплотнение, то при воздействии сильного внешнего электромагнитного поля в составе сигнала могут появиться ортогональные составляющие волн, что может вызвать дополнительную поляризацион-но-модовую дисперсию а также осложнит работу фильтров. Еще большие помехи могут возникнуть в случае использования ортогонального мультиплексирования с квадратурной модуляцией поля. Часть энергии волн одной поляризации может перейти в другую ортогональную плоскость и вызвать ошибки. Сильные поля возникают вблизи проложенных в земле оптических кабелей при ударах молнии. Современные системы волнового мультиплексирования могут вести передачу одновременно на нескольких десятках и даже сотнях волн. Под действием внешнего поля все эти волны испытают поворот плоскости поляризации, величина которого зависит от длины волны. Короткие волны повернутся на больший угол. Обычно этот феномен проходит незамеченным. Но иногда при близких ударах молнии с большой амплитудой тока поворот может достигнуть величины 45 или даже 90°, что может вызвать проблемы в работе фильтров, оптических изоляторов и даже усилителей (например, усилителей Рамана). Исследования молнии, проведённые в последнее время, обнаружили, что при ударах молнии возникает не только большой ток с амплитудой в десятки килоам-пер, но также рентгеновское и гамма-излучение большой мощности, что представляет серьёзную опасность для оптических кабелей. В работе рассматриваются основные стороны проблемы.
TELECOMMUNICATIONS
US
RESEARCH
Воздействие внешних электромагнитных полей на оптический кабель
Явления вращения плоскости поляризации света в поперечном электрическом (эффект Керра) и продольном магнитном (эффект Фарадея) полях были открыты ещё в XIX веке. При прохождении света по волокну под воздействием внешнего электромагнитного поля происходит поворот плоскости колебаний (поляризации) световой волны. Различным образом поляризованные волны света при паденни на плоскую поверхность имеют разные величины Френелевских коэффициентов. Изменение плоскости поляризации света в оптическом волокне может также привести к так называемому двойному лучепреломлению и возникновению двух ортогональных составляющих волны, между которыми распределится первоначальная энергия сигнала. Каждая из составляющих будет распространяться независимо друг от друга. Так как параметры волокна вдоль различных плоскостей, проходящих через ось, могут несколько отличаться, следствием может явиться увеличение дисперсии и затухания сигнала, аналогичные поляризационной модовой дисперсии при геометрических неоднородностях волокна. Поворот плоскости поляризации света в волокне под действием поперечного внешнего электрического поля определяется выражением:
ф = 2п К(Х)-Е2 -Ь, (1),
где Е - напряжённость электрического поля; Ь - длина участка, на котором кабель подвергается воздействию поля;
К - постоянная Керра, которая зависит от коэффициента преломления п, температуры Т и длины волны X :
К = F(n,T, X) = f ( n' T^ Л
(2).
К ~ 0.402- 10-13 м/В2 при X = 1.55 мкм; п = 1.5; Т = 293° Кельвина. К имеет малую величину, и для возникновения заметного эффекта Керра электрическое поле должно быть достаточно велико. Большие величины поля возможны вблизи точки удара молнии и при воздействии высотного ядерного взрыва. Немедленного повреждения кабеля при этом не происходит, но при повороте плоскости поляризации света возникают составляющие поля по главным осям сечения волокна, и, если имеется небольшая эллиптичность волокна, в дальнейшем появляется дополнительная поляризационная модо-вая дисперсия (ПМД). Конкретные величины угла поворота и вероятность возникновения той или иной величины его рассмотрены ранее [1,2]. Обычно при прокладке кабеля в грунтах с малым удельным сопротивлением величина угла поворота плоскости поляризации невелика, и если в аппаратуре нет элементов, чувствительных к поляризации, это явление проходит незамеченным. Однако при близком ударе молнии с большой амплитудой тока поворот плоскости поляризации может превышать 45° и даже 90°. Реальные удары молнии имеют в среднем количество разрядов порядка трёх, так что общий поворот возможно будет значительно больше.
Под воздействием продольного магнитного поля мол-
нии, то есть в случае, когда свет распространяется вдоль силовых линий магнитного поля, также происходит поворот плоскости поляризации на угол
у=^В (3),
В - магнитная индукция в среде распространения; Ь - длина пути света вдоль магнитных силовых линий; V - постоянная Верде.
Однако величина V при ударах молнии значительно меньше ф.
Воздействие при волновом и ортогональном
мультиплексировании
Развитие систем волнового мультиплексирования со всё возрастающим числом несущих привело к тому, что в одном окне прозрачности может передаваться несколько десятков, а то и сотен волн, сдвинутых друг относительно друга на доли нм. Поэтому поворот плоскости поляризации для всех волн будет разный, и при прочих равных условиях короткие волны сместятся на больший угол по сравнению с длинными волнами. Если первоначально все волны имели одну и ту же (например, вертикальную) поляризацию и распространялись вдоль одной из главных осей (так как волокно имеет некоторую эллиптичность), то после поворота плоскостей поляризации под воздействием внешнего поля короткие волны будут иметь большую составляющую вдоль горизонтальной оси, а длинные волны будут иметь относительно большие вертикальные составляющие. Известно также, что короткие и длинные волны распространяются с разной скоростью вследствие зависимости коэффициента преломления от длины волны. Следовательно, определившиеся пакеты волн с разной поляризацией будут иметь ещё и разную скорость распространения, что вызовет дополнительную дисперсию. Если используется ортогональное мультиплексирование с одновременной передачей по волокну волн с горизонтальной и вертикальной поляризацией, то составляющие, имевшие первоначально вертикальную поляризацию после поворота плоскости поляризации под действием внешнего поля могут оказаться наложенными на основные волны с горизонтальной поляризацией, что ещё больше увеличит риск ошибок.
К сожалению, имеется некоторая неопределённость в точности определения величины К, величина которой может зависеть от технологии изготовления волокна. Тем не менее, грозовое воздействие на оптический кабель, даже не содержащий металлических элементов, может быть достаточно опасным при передаче каналов большой ёмкости со скоростью в несколько терабит/сек, так как цена ошибок при приёме таких сигналов очень велика.
Рентгеновское и гамма-излучение при грозовых воздействиях в горах и вблизи высотных сооружений
Исследования [3,4] , проведённые в 2001-2003 годах, обнаружили, что во время лидерной стадии разряда молнии, в особенности при положительных лидерах, что чаще всего происходит в горах и вблизи высотных сооружений, возникает радиация в виде рентгеновских лучей и у-квантов с энергией, превышающей 10 МэВ. Действие
HiS
RESEARCH
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
радиации на волокно разделяется на три основные категории: образование так называемых центров окраски, изменение плотности волокна, изменение свойств полимерных материалов. При воздействии излучения в материале волокна возникают процессы смещения и образования дефектов решётки. На этих дефектах появляются электроны проводимости и дырки, комбинации которых с вакансиями создают центры окраски, поглощающие свет в некоторых частях спектра, что и приводит к дополнительному затуханию. В случае полимеров ионизирующее излучение существенно изменяет макроскопические свойства полимеров, нарушая связи полимерных цепочек. Как видим, воздействие грозовых разрядов в горной местности может сопровождаться не только протеканием тока большой амплитуды и влиянием сильного электромагнитного поля, но также воздействием рентгеновского и гамма-излучения, опасного для оптического кабеля.
Если учесть, что у-излучение очень сильно ослабляется атмосферой, то можно представить, какой большой величины могли быть у-кванты в точке возникновения. На рис.1 показана примерная форма вспышки Г-излучения, а на рис.2 приведен спектр энергии у-лучей, зафиксированный в опытах.
Энергия МэВ
мксек
Рис.1. Общая форма вспышки у-излучения
Поскольку поглощение фотонов у-излучения в атмосфере велико, а возникает оно на высоте 6-8 км, энергия отдельных фотонов в источнике может быть очень велика, порядка 100 МэВ, правда зарегистрированная плотность потока фотонов на уровне земли невелика, составляя всего единицы фотонов (с энергией в несколько МэВ) на квадратный сантиметр (рис.2).
Основные эффекты, производимые рентгеновским и у-излучением в волокне - это смещение атомов из нормального положения в кристаллической решётке и ионизация. Радиация приводит к нарушению имеющихся в основе материала оптического волокна связей и к появлению свободных связей, которые служат ловушками зарядов. При этом возникают дефекты в структуре решётки. Эффект усиливается, если в структуре решётки уже имеются дефекты или примеси. При облучении вещества фотонами с энергией менее 1 МэВ возникающие дефекты относительно незначительны и могут иметь тенденцию к восстановлению исходного состояния. В некоторых случаях при наличии примесей и дефектов и при относительно малых энергиях фотонов могут возникать более сложные не восстанавливающиеся повреждения структуры, которые приводят к появлению уровней в запрещённой зоне. При более высоких энергиях нарушения будут носить необратимый характер. В результате облучения изменяются первичные параметры оптического волокна - коэффициент преломления и величина затухания. Легирующие добавки, остаточные механические напряжения, примеси, малое содержание гидроксильной группы ОН снижают радиационную стойкость волокна. В этой связи, волокна с отсутствием водяного пика могут оказаться более чувствительны к радиационным воздействиям. При импульсном облучении оптические потери достигают более высоких значений чем при стационарном. В случае полимеров ионизирующее излучение существенно изменяет их макроскопические свойства, нарушая связи полимерных цепочек.
Оценка количества возникающих ошибок
при грозовом воздействии на чисто
диэлектрический оптический кабель
Грозодеятельность обычно оценивается суммарной продолжительностью гроз Т в часах за год в каждой местности. Она зависит от ряда причин, в том числе климата, рельефа местности, расстояния от моря и т.п. Исходя из суммарной продолжительности гроз можно сделать предварительную оценку доли времени, за которую кабель может подвергаться грозовым воздействиям:
а1 =
8760
(4).
Рис.2. Спектр энергии фотонов у-излучения
8760 - это суммарное число часов в году. Величина Т может сильно варьироваться, например, для Москвы она составляет примерно 37 часов в год и а1 = 0.00422. Во время грозы кабель не обязательно подвергается воздействию грозового разряда. Вероятность такого воздействия определяется удельным сопротивлением грунта на трассе кабеля, расположением и длиной трассы, типом
TELECOMMUNICATIONS
US
RESEARCH
кабеля, продолжительностью грозодеятельности. Обычно это событие может быть оценено количеством 0.05 - 0.3 на 100 км трассы в год. Для кабеля без металлических элементов в конструкции длительность поворота плоскости поляризации, которая может привести к сбою в приёме информации и появлению дополнительной дисперсии может составлять величину порядка от 0.1 до 0.5 сек. Это время полной длительности грозового разряда, включая повторные разряды, развивающиеся по старому каналу. Если условия на длине линии примерно постоянны, то при длине линии передачи Ь км полное время нарушений из-за грозы за год может составить I = 0.1-0.3- Ь /100 сек = 3-10-4 • Ь сек. Уровень ошибок за период измерения год составит
в = 3-10-4 Ь / (8760-60-60) = 10-11 • Ь (5)
где Ь - длина линии в км, 8760 - число часов в году. Если рассматривать только период грозового сезона, который на территории России продолжается с мая по октябрь, то величина в будет равна
в = 0.5- 10-11 • Ь
Конечно, в отдельные дни уровень ошибок за более короткий промежуток времени может колебаться в зависимости от интенсивности грозовой деятельности в этот период. Если по волокнам кабеля работают системы временного и волнового уплотнения, то ошибка возникает во всех системах, а если применяется и ортогональное
уплотнение, количество ошибок при этом удваивается. Потерянная или неправильно принятая информация за год по этой причине равна общей скорости передачи по кабелю, умноженной на время работы и р.
Заключение
Таким образом, констатируя, можем заключить, что в результате воздействия электромагнитного поля молнии при близких ударах к оптическому кабелю возможны искажения передаваемой по кабелю информации, а воздействие гамма-излучения молнии может нарушить структуру волокна и изменить его микро- и макроскопические свойства.
Литература
1. С.А.Соколов. Эффекты Керра и Фарадея в оптическом кабеле. - Электросвязь, № 4, 1996.
2. С.А.Соколов. Возникновение поляризационной модо-вой дисперсии под действием грозовых разрядов. - Электросвязь, №11, 2004
3. J.R.Dwyer et al. X-ray bursts associated with leader steps in cloud-to-ground lightning. Geophysical Research Letters, vol.32, L01803, 2005.
4. J.R.Dwyer et al. A ground level gamma-ray burst observed with rocket-triggered lightning. Geophysical Research Letters, vol.31, L05119, 2004.
5. Соколов С.А. "Воздействие грозовых разрядов на оптические кабели в горной местности и вблизи высотных сооружений". Журнал «Первая миля» №2, 2013.
POSSIBLE ERRONEOUS INFORMATION RECEPTION USING OPTICAL CABLE DURING LIGHTNING STROKES
Sokolov S.,
Dr.Tech.Sc., professor Moscow Technical University of Communications and Informatics, staniuslav.a.sokolov@gmail.com
Abstract
It is known that this time long-distance lines are optical fiber lines in most cases. Under influence of cross electrical field (or longitudinal magnetic) of lightning the polarizations plane of lights wave can turns on angle, which depends on field value, light path length upon field action and fiber sensitivity. During the influence of external electromagnetic field a part of one polarization signal can pass to other orthogonal plane and change polarization and it will perceive wrongly. Requests of bulk information scope transmission at a great rate led firstly to TDM - systems (time division multiplex) development and then WDM-system (wave division multiplex).
This moment PM QPSK system (polarization-division multiplex with quadrature phase shift keying) appear. Polarization-division multiplex uses a fact that the optical signal can propagate as two orthogonal polarized modes that allows to use the modes independently and makes it possible to double
carrier capacity (together with already other used multiplex system). During the influence of external electromagnetic field a part of one polarization signal can pass to other orthogonal plane and change polarization and it will perceive wrongly.
Mess with signal amplitudes and phases with polarization change can lead to reception errors. New discovery is made during lightning study.
Lightning discharges generate not only great current but X-and y-rays that is very dangerous for fiber cables. Some sides of these problems are considering here.
Keywords: optical cable, lightning, electromagnetic field, polarization, y- radiation
References
1. S.A.Sokolov. Effects of Kerr and Faraday in optical fiber cable. Electrosviaz, No 4, 1996. (Russian).
2. S.A.Sokolov. Rise of Polarization-Mode Dispersion during Lightning stroke. Electrosviaz, №11. 2004. Russian.
3. J.R.Dwyer et al. X-ray bursts associated with leader steps in cloud-to-ground lightning. Geophysical Research Letters, vol.32, L01803, 2005.
4. J.R.Dwyer et al. A ground level gamma-ray burst observed with rocket-triggered lightning. Geophysical Research Letters, vol.31, L05119, 2004.
5. S.A.Sokolov. Lightning discharges influences upon optical fiber cables upland and close to tall structures. The first mile, №2, 2013.
