Состав оптоволоконного кабеля

Состав оптоволоконного кабеля

Как устроен оптоволоконный кабель

В прошлой статье рассказывалось о самых распространенных типах оптоволоконного кабеля, применяемых на Украине. А сегодня — кабель в разрезе, и по ходу повествования – некоторые практические моменты его монтажа.

Мы не будем останавливаться на подробной структуре всех видов кабеля. Возьмем некий усредненный типовой ОК:

1. Центральный (осевой) элемент.
2. Оптическое волокно.
3. Пластиковые модули для оптических волокон.
4. Пленка с гидрофобным гелем.
5. Полиэтиленовая оболочка.
6. Броня.
7. Внешняя полиэтиленовая оболочка.

Что же представляет каждый слой при подробном рассмотрении?

Центральный (осевой) элемент

Стеклопластиковый прут в полимерной оболочке или без нее. Основное назначение – придает жесткость кабелю. Стеклопластиковые стержни без оболочки плохи тем, что легко ломаются при изгибе и повреждают расположенное вокруг них оптоволокно.

Оптическое волокно

Нити оптического волокна чаще всего имеют толщину в 125 микрон (примерно с волос). Они состоят из сердечника (по которому, собственно, идет передача сигнала) и стеклянной же оболочки немного другого состава, обеспечивающей полное преломление в сердечнике.

В маркировке кабеля диаметр сердечника и оболочки обозначается цифрами через слэш. К примеру: 9/125 – сердцевина 9 мкм, оболочка — 125 мкм.

Количество волокон в кабеле варьируется от 2 до 144, это также фиксируется цифрой в маркировке.

В зависимости от толщины сердечника оптоволокно подразделяется на одномодовое (тонкий сердечник) и многомодовое (большего диаметра). В последнее время многомод применяется все реже, поэтому останавливаться на нем не будем. Отметим только, что предусмотрен он для использования на небольшие расстояния. Оболочку многомодового кабеля и патчкордов обычно делают оранжевого цвета (одномодовый – желтый).

В свою очередь одномодовое оптическое волокно бывает:

• Стандартное (маркировка SF, SM или SMF);
• Со смещенной дисперсией (DS, DSF);
• С ненулевой смещенной дисперсией (NZ, NZDSF или NZDS).

В общих чертах – оптоволоконный кабель со смещенной дисперсией (в т.ч. с ненулевой) применяется на гораздо большие расстояния, чем обычный.

Поверх оболочки стеклянные нити покрыты лаком, и этот микроскопический слой тоже играет важную роль. Оптоволокно без лакового покрытия повреждается, крошится и ломается при малейшем воздействии. В то время как в лаковой изоляции его можно скручивать и подвергать некоторой нагрузке. На практике оптоволоконные нити неделями выдерживают вес кабеля на опорах, если в процессе эксплуатации рвутся все остальные силовые стержни.

Однако не стоит возлагать на прочность волокон слишком большие надежды – даже покрытые лаком они легко ломаются. Поэтому при монтаже оптических сетей, особенно при ремонте действующих магистралей, требуется предельная аккуратность.

Пластиковые модули для оптических волокон

Это пластиковые оболочки, внутри которых – пучок оптоволоконных нитей и гидрофобная смазка. В кабеле может быть либо одна такая туба с оптоволокном, либо несколько (последнее – чаще, особенно если волокон много). Модули выполняют функцию защиты волокон от механических повреждений и попутно – их объединения и маркировки (если модулей в кабеле несколько). Однако нужно помнить, что пластиковый модуль при изгибе довольно просто переламывается, и ломает находящиеся в нем волокна.

Какого-то одного стандарта на цветную маркировку модулей и волокон нет, но каждый производитель прикрепляет к барабану с кабелем паспорт, в котором это обозначено.

Пленка и полиэтиленовая оболочка

Это элементы дополнительной защиты волокон и модулей от трения, а также влаги – в некоторых видах оптического кабеля под пленкой содержится гидрофоб. Пленка сверху может быть дополнительно армирована переплетением нитей и пропитана гидрофобным гелем.

Пластиковая оболочка выполняет те же функции, что и пленка, плюс служит прослойкой между броней и модулями. Есть модификации кабеля, где ее вообще нет.

Броня

Это может быть либо кевларовая броня (сплетенные нити), либо кольцо стальных проволок, либо лист гофрированной стали:

• Кевлар применяется в тех видах оптоволоконного кабеля, где содержание металла недопустимо или если нужно снизить его вес.
• Кабель с броней из стальных проволочек предназначен для подземной укладки непосредственно в грунт – прочная броня защищает от многих повреждений, в т.ч. от лопаты.
• Кабель с гофроброней прокладывают в трубах или кабельной канализации, защитить такая броня может лишь от грызунов.

При разделке кевлар рекомендуется не резать, а откусывать, т.к. режущий инструмент практически моментально тупится.

Внешняя полиэтиленовая оболочка

Первый и практически самый важный уровень защиты. Плотный полиэтилен призван выдерживать все нагрузки, выпадающие на долю кабеля, поэтому если он повреждается, существенно увеличивается риск порчи кабеля. Нужно следить, чтобы оболочка:

a) Не была повреждена при монтаже – иначе попавшая внутрь влага увеличит потери на линии;

b) Не касалась в процессе эксплуатации о дерево, стену, угол или ребро конструкции и т.д., если есть риск возникновения трения в этом месте при ветровых и иных нагрузках.

Что такое и из чего состоит оптоволокно: полный разбор от Блондинки

Привет, друзья! О том, что такое оптоволокно, уже писал наш гуру Интернета и беспроводных технологий Бородач (ссылка на статью обязательно будет ниже). Но мои коллеги решили, что Блондинка тоже должна написать на эту тему и заодно добавить знаний в свою красивую головку. Ну что ж, надо – значит, надо! Будем разбираться.

Разумеется, пришлось схитрить и позадавать глупые вопросы нашим партнерам из LANart. За что им отдельное спасибо)

1. Определение для чайников
2. Материалы
3. Строение
4. Виды и области применения
5. Оптический кабель
6. Достоинства и недостатки
7. Задать вопрос автору статьи

Определение для чайников

Оптоволокно – это тончайшие проводки (нити) из стекла или пластика, по которым переносится свет за счет внутреннего отражения. Кабель из оптического волокна используется как способ передачи информации на высокой скорости на большие расстояния (в прямом смысле слова «со скоростью света»). Так строятся волоконно-оптические линии связи (ВОЛС).

Факт из истории развития в России. Первая ВОЛС «Санкт-Петербург-Аберслунд» (город в Дании) была проложена компанией Ростелеком (тогда она называлась Совтелеком).

Материалы

Стеклянное оптоволокно производится из кварца. Это обеспечивает следующие характеристики:

• Высокая оптическая проницаемость – это позволяет транслировать волны разных диапазонов;
• Минимальная потеря сигнала (малое затухание);
• Температурная устойчивость;
• Гибкость.

Для дальнего диапазона применяют халькогенидные стекла, калий цирконий фтористый или криолит калия.

Сейчас развивается производство оптоволокна из пластика. При этом сердцевину (ядро) делают из органического стекла, а оболочку из фторопластов. Недостатком полимерных материалов считают низкую пропускную способность в зонах с инфракрасным излучением.

Строение

Из чего состоит оптоволокно? Это круглая в разрезе нить, внутри которой есть ядро (сердцевина), снаружи покрытое оболочкой. Чтобы обеспечить полное внутреннее отражение, показатель преломления ядра должен быть выше того же параметра для оболочки. Как это работает – луч света, направленный в ядро, многократно отражается от оболочки.

Диаметр оптоволоконной нити, которая используется в телекоммуникациях, равен 124-126 микрон. При этом диаметр ядра может отличаться – все зависит от типа оптоволокна (об этом я расскажу в следующем разделе) и национальных стандартов.

1 микрон – это 0,001 мм. Я посчитала, получается, что диаметр всего 0,125 мм.

Виды и области применения

Друзья, перед ознакомлением с дальнейшим материалом настоятельно рекомендую обратить внимание вот на этот каталог оптического кабеля. Т.е. смотрите что можно купить на практике в реальном магазине, а ниже пытаетесь найти верную расшифровку. Это и интересно, и поможет лучше понять информацию)

Оптическое волокно бывает двух типов (в зависимости от количества лучей в волокне – мод):

1. Одномодовое. Диаметр ядра – 7-10 микрон, светоотражение проходит в одной моде. Типы:

• Стандартное (с несмещенной дисперсией);
• Со смещенной дисперсией;
• С ненулевой смещенной дисперсией.

1. Многомодовое. Диаметр сердцевины – 50-62 микрон (зависит от национальных стандартов), излучение проходит по нескольким модам. Классифицируются на:

• Ступенчатые;
• Градиентные.

Этот раздел сложен для простого обывателя, но, если кому-то хочется разобраться подробнее, напишите в комментарии. Кто-то из ребят обязательно пояснит все, что было непонятно.

Основные направления, где применяется оптоволокно – это волоконно-оптическая связь и волоконно-оптический датчик. Другие области:

• Освещение;
• Формирование изображения;
• Создание волоконного лазера.

Как я понимаю, все же основная область применения – это построение магистралей оптоволоконных линий связи. Проще говоря, это линии, с помощью которых передается Интернет во всех крупных городах.

Оптический кабель

Вот мы и подобрались к самой большой тайне современности – оптоволоконный кабель, который соединяет города и континенты и передает информацию со скоростью света. При этом к нам в квартиру Интернет попадает через витую пару, чаще всего из 8 проводков. Максимальная скорость будет достигать значения в 1 Гбит/сек.

Кто в теме, тот знает, что разместить 8-жильный провод можно не в каждый кабель-канал. В этом и есть основное преимущество оптоволокна. Оптический кабель в несколько раз тоньше витой пары и обеспечивает более высокую скорость (до 10 Гбит/с).

Вроде как провайдеры стали потихоньку переводить абонентов на оптоволокно – то есть «оптика» будет идти не только ДО подъезда, но и ПО нему до квартиры. Неприятная новость – для использования такого кабеля нужен специальный маршрутизатор.

По способу монтажа оптический кабель классифицируется на следующие виды:

• Прокладывается в земле;
• Ведется через коллекторы и канализационные трубы;
• Ведется под водой;
• Прокладывается по воздуху (подвесной).

В зависимости от использования и дальности сигнала оптоволоконный кабель бывает:

• Магистральный – создание длинных линий на большие расстояния;
• Зоновый – организация магистрали между регионами;
• Городской – схож с зоновым, но длина линии не больше 10 км;
• Полевой – прокладка как по воздуху, так и под землей;
• Водный – тут название говорит само за себя;
• Объектовый – используется для конкретного участка, прост в прокладке;
• Монтажный – применяется многомодовое градиентное оптоволокно.

Есть еще классификация по способу исполнения ядра и количеству волокон в нем. Я думаю, это вряд ли будет интересно, но, если что, коллеги расскажут и об этом – нужно только написать в комментарии.

Достоинства и недостатки

Напоследок давайте разберемся в плюсах и минусах оптоволоконного кабеля. Начнем с преимуществ:

• Малые потери при большой длине ретрансляционного участка;
• Возможность передачи информации по тысячам каналов;
• Малые размеры и масса;
• Высокая защищенность от помех и внешних воздействий;
• Безопасность.

А теперь о недостатках:

• Подверженность радиации, за счет чего возрастает затухание сигнала;
• Подверженность стекла водородной коррозии, что приводит к повреждениям материала и ухудшению свойств.

По теме у нас есть еще 2 статьи. Почитать можно тут и тут.

На этом можно заканчивать. Надеюсь, была полезной, а мой рассказ интересным. Всем пока!

Волоконно-оптический кабель: назначение, конструкция, классификация

В современных сетях для передачи данных все чаще используется волоконно-оптический кабель взамен стандартных электрических моделей, в которых проводящим материалом выступали медные и алюминиевые жилы. Такая популярность обусловлена рядом причин, среди которых куда более низкая себестоимость силикатных материалов, необходимых для изготовления оптического волокна и куда лучшие параметры работы оптоволоконных систем. Поэтому кабельная продукция на основе оптического волокна постепенно вытесняет привычнее нам кабельные линии.

Назначение

Волоконно-оптический кабель (также известен как оптоволоконный) предназначен для передачи сигналов связи посредством светового потока. Основным его отличием от классических систем, в которых данные передавались посредством электрических сигналов различной величины, частоты и протяженности, является использование световых импульсов, которые генерируются в оптическом модуле и поступают к приемнику на другом конце волокна. Благодаря своей структуре оптический проводник обеспечивает проходимость световых импульсов без потерь, за исключением тех из них, где мощность потока значительно снижается за счет отражения и дисперсии.

Технические характеристики передачи предоставляют практически неограниченные возможности для подключения приемников или количества передаваемых сигналов.

По назначению волоконно-оптический кабель может применяться для:

• Линий передачи данных между компьютерами в пределах предприятия;
• Формирования многофункциональных сетей в каком-либо городе или регионе;
• Установки в качестве телефонного кабеля для соединения абонентов;
• Работы высокоточных приборов и проведения измерений;
• Изготовления сигнализации и датчиков, работающих при помощи светового потока;
• Освещения труднодоступных мест, куда классическими устройствами добраться невозможно.

Несмотря на многообразие вариантов установки, конкретная область применения оптоволоконного кабеля определяется его конструктивными особенностями.

Конструкция

Конструктивно волоконно-оптический кабель можно представить следующим образом.

Рис. 1: конструкция оптоволоконного кабеля

Посмотрите на рисунок, конструкция волоконно-оптического кабеля включает в себя такие элементы:

• Несущий сердечник – устанавливается для натяжения оптоволоконного кабеля, как правило, выполняется из металла или стеклопластика и воспринимает на себя весь вес волоконно-оптической линии при подвешивании, так как само оптическое волокно не обладает достаточной прочностью на разрыв. Также он центрирует всю конструкцию вокруг себя. Может изготавливаться как с защитной оболочкой, так и без нее.
• Оптическое волокно – основной элемент сердечника, предназначенный непосредственно для передачи светового сигнала. В одном кабеле, как правило, содержится от 2 до 250 волокон. Каждое из них покрывается специальным лаком, который обеспечивает достаточную прочность волокну и предотвращает распространение света за его пределы.
• Трубчатые модули – предназначены для защиты волокон от механических повреждений и для маркировки их отдельных групп. В составе кабеля может находиться один или несколько таких модулей, внутри они заполняются специальным защитным слоем из гидрофобного наполнителя. Чем больше волокон входит в состав волоконно-оптического кабеля, тем актуальнее использование нескольких модулей. Рис. 2: пример одномодульного и многомодульного кабеля
• Пленка с гидрофобным наполнителем – выступает в роли одной или нескольких защитных оболочек для всего пучка волоконно-оптического кабеля, их число определяется конструкцией всего сердечника и условиями его эксплуатации. Предназначена для снижения трения внутри и предотвращения проникновения влаги во внутрь. Как правило, внутри волоконно-оптического кабеля она дополнительно стягивается нитями.
• Слой диэлектрического материала – в данном случае из полиэтилена, но в других моделях может применяться и ПВХ изоляция. Также выполняет функцию защиты волоконно-оптических линий от влаги.
• Слой брони – обеспечивает достаточную механическую прочность при любой прокладке. Его основная задача – предотвратить нарушение целостности волокон режущими предметами, в процессе перетирания или грызунами. Может выполняться металлической проволокой, стекловолокном или кевларом. Бронированный кабель может использоваться для внешней прокладки, в шахтах и колодцах и под землей.
• Внешняя оболочка – основной элемент волоконно-оптического кабеля, предотвращающий разрушающее воздействие внешних факторов на линию. Внешний слой выполняется из полиэтилена или другого герметичного диэлектрика. Позволяет использовать оптоволоконную продукцию, как для воздушной прокладки, так и для кабельных каналов. Дополнительной функцией диэлектрической оболочки является защита от воздействия электрического напряжения в аварийных ситуациях.

Следует отметить, что рассмотренный вариант волоконно-оптического кабеля является частным случаем, кроме него вы можете встретить и другие модели, в которых могут отсутствовать некоторые из вышеприведенных элементов или изменяться их количество.

Классификация

Волоконно-оптический кабель, в зависимости от выбранного критерия будет подразделяться на разные категории. Так, по материалу изготовления выделяют два типа оптоволоконных изделий:

• GOF – кабель, оптическое волокно в котором выполнено из стекла (первая буква аббревиатуры происходит от английского glass);
• POF – модели с полимерным проводящим элементом (первая буква аббревиатуры происходит от английского plastic).

В зависимости от способа прокладки волоконно-оптической линии все марки подразделяются на те, которые могут размещаться:

• Путем подвешивания – такие модели содержат несущую жилу и кевларовую броню, а при подвешивании их на опоры его с ним применяются устройства грозозащиты.
• Для внутренней прокладки – в колодцах, камерах, шахтах кабель-каналах и т.д.;
• Для подземной прокладки – модели с усиленной наружной оболочкой, способной противостоять агрессивному воздействию окружающей среды;
• Для подводной прокладки – эти модели имеют многослойную структуру с усиленной гидроизоляцией.

В зависимости от величины проводящего ядра в волоконно-оптическом канале по отношению к демпфирующему слою выделяют одномодовые и многомодовые кабели. Они отличаются по количеству проводимых сигналов (мод), от чего и происходит их название.

Рис. 3: одномодовый и многомодовый кабель в сечении

Одномодовый кабель характеризуется относительно небольшим диаметром проводящего сердечника – 9мкм. Такой размер пропускает только один сигнал по каналу. Несмотря на то, что одномодовая конструкция отличается небольшой пропускной способностью, сигнал в ней не искажается и не затухает на всей протяженности линии.

Рис. 4: движение сигнала в одномодовом волокне

Многомодовый кабель, в отличии от одномодового характеризуется куда более широким диаметром проводящего ядра — 50 или 62,5 мкм. За счет увеличения ширины канала возникает возможность отражения сразу нескольких волн в ядре с определенным шагом (дисперсией). Поэтому по нему одновременно можно перемещать сразу несколько сигналов.

Рис. 5: движение сигнала в многомодовом волокне

Недостатком многомодового волокна является искажение и затухание сигнала, но вместе с тем многомодовый и более дешевый вариант, в сравнении с одномодовым, так как он работает на обычных светодиодах, а не на лазере. В зависимости от конкретных параметров, размеров и внешнего диаметра многомодовые кабели подразделяются на четыре класса и имеют различное применение.

Таблица: применение многомодовых кабелей различных классов

Класс волокна	Размер ядра/демпфера, мкм	Коэффициент широкополосности, режим OFL, МГц·км		Где применяются
		850 нм	1300 нм
OM1	62.5/125	200	500	Применяется для расширения ранее установленных систем. Использовать в новых системах не рекомендуется.
OM2	50/125	500	500	Применяется для поддержки приложений с производительностью до 1 Гбит/с на расстоянии до 550 м.
OM3	50/125	1500	500	Волокно оптимизировано для применения лазерных источников. В режиме RML коэффициент широкополосности на длине волны 850 нм составляет 2000 МГц·км. Волокно применяется для поддержки приложений с производительностью до 10 Гбит/с на расстоянии до 300 м.
OM4	50/125	3500	500	Волокно оптимизировано для применения лазерных источников. В режиме RML коэффициент широкополосности на длине волны 850 нм составляет 4700 МГц·км. Волокно применяется для поддержки приложений с производительностью до 10 Гбит/с на расстоянии до 550 м.

Технические характеристики

При монтаже и во время эксплуатации важно учитывать основные параметры кабельно-проводниковой продукции, которые определяют номинальные условия для нормальной работы системы. Волоконно-оптические кабели обладают такими характеристиками:

• Минимальный радиус изгиба – составляет не менее 20 диаметров изделия.
• Границы рабочих температур – от – 60 до + 70°С. Следует отметить, что монтажные работы волоконно-оптических линий могут производиться при температуре окружающей среды не менее – 10°С без потери характеристик основных элементов волоконно-оптического кабеля.
• Электрическое сопротивление составляет не менее 2000 МОм. Помимо этого изоляция должна выдерживать воздействие повышенного напряжения в 20 кВ переменного и 10 кВ постоянного тока.
• Изоляция способна кратковременно выдержать ток растекания до 105 кА, но его продолжительность допускается не более 60 мс.
• Растягивающее усилие, в зависимости от конкретной модели, составляет от 4 до 42 кН.

Плюсы и минусы

Волоконно-оптические линии, в сравнении с теми же медными кабелями обладают рядом весомых преимуществ:

• Не подвергается воздействию электромагнитного излучения от соседних источников, благодаря чему в нем не возникают помехи;
• Благодаря отсутствию электрического напряжения в соединительных кабелях, осуществляется гальваническая развязка между источником и приемником;
• Высокая скорость и большая пропускная способность, в сравнении с медными вариантами;
• Большое расстояние для передачи сигнала;
• Относительно небольшой коэффициент затухания сигнала;
• Безопасность данных из-за невозможности бесконтактного съема данных и сложности подключения к линии;
• Антивандальная устойчивость – из-за того, что волоконно-оптическая продукция не принимается на пунктах приема, ее хищение совершенно бесполезно.

Но, наряду с вышеперечисленными преимуществами оптоволокно обладает и некоторыми минусами. К недостаткам волоконно-оптических линий относят:

• Хрупкость самого материала жил, из-за чего их легко поломать;
• Для передачи и преобразования посылаемых по волоконно-оптическим каналам сигналов необходимо специальное оборудование;
• В случае повреждения оптоволоконного кабеля срастить место разрыва, как у классического медного, не получится, как правило, приходится заменять целый участок;
• Относительная дороговизна, как самого кабеля, так и дополнительных устройств;
• Монтажные работы могут выполнять только специально обученные лица.

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 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 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.

Коэффициент хроматической дисперсии, пс/(нм*км).

Ширина полосы пропускания (bandwidth), МГц*км.

Коэффициент PMD, пс/√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.

1. 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.
2. 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:

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).

Устройство оптоволоконного кабеля

Оптоволоконный кабель – это самый современный способ высокоскоростной передачи данных. Вы можете также встретить такие названия как оптика, стекло, оптическое волокно, fiber. Часто применяется и аббревиатура ВОЛС (волоконно-оптическая линия связи). Но какое бы название Вы не применили, оптоволокно остается самой быстрой и надежной средой для вычислительных и телекоммуникационных систем, а также для передачи информации на значительные расстояния.

Именно такие кабельные линии проходят по дну мирового океана, соединяя континенты и позволяя нам беспрерывно пользоваться различной информацией. Скорость передачи в десятки раз превосходит обычную витую пару.

В настоящее время альтернативы передачи данных на огромные расстояния быстрее, чем по оптике, попросту нет.

Ниже Вы узнаете, что именно представляет собой оптоволоконный кабель, из чего он сделан, как работает и какие типы бывают, а также какие преимущества у Вас будут при его использовании.

Что такое оптоволокно?

Такой кабель по своей сути мало в чем отличается от других типов проводов. Однако, если в обычном кабеле сигнал проходит по медному проводнику при помощи электронов, то в оптоволокне для передачи данных используется свет (световые пучки — фотоны), который движется с очень большой скоростью.

Сам же кабель представляет собой многопарный провод, состоящий из отдельных проводников (жил), которые разделены специальным покрытием. При производстве используются определенные полимерные материалы, которые в процессе изготовления жил позволяют создать идеально гладкую поверхность внутренних «стенок» кабеля.

В каждом кабеле может быть от 2-3 и до нескольких сотен жил. Снаружи они для усиления прочности оплетаются полимерной нитью, а значит получают еще одну защитную оболочку из полиэтилена.

Принцип работы

Информация в виде электрического сигнала идет по медному проводу, попадает в специальный конвертер и превращается в свет. При этом каждая отдельная жила передает зашифрованные в свет данные. В конце передаваемые данные снова принимаются конвертером и преобразовываются обратно в электрический сигнал.

Если говорить простыми словами, то каждый элемент представляет собой нечто вроде стеклянной трубки, которая в свою очередь находится в трубке с зеркальной поверхностью или обернута металлической фольгой, которая как раз и служит своеобразным экраном от потерь данных и помех. Это значит, что когда свет попадает в нее, то отражается от границ жил и проходит все дальше.

Стоит отметить, что расстояние, на которое будет передаваться информация, зависит не только от самого кабеля, но и от самого источника сигнала. То есть чем он мощнее, тем большее расстояние сигнал сможет преодолеть.

Виды оптических кабелей

Всего есть два вида:

• Одномодовый (желтого цвета)
• Многомодовый (оранжевого цвета)

В первом случае диаметр сердечника равен примерно 9 мкм, а во втором — 50 или 62,5 мкм.

От вида кабеля напрямую зависит скорость затухания передаваемого сигнала. Первый тип способен без потерь передавать данные на дистанцию до 10 километров. А второй – всего на два-три километра. При этом одномодовые оптические кабели обладают пропускной способностью до 100 Гб/с на км и используются все чаще и чаще.Они подразделяются на 3 маркировки:

• Стандартная (SF, SM или SMF)
• Со смещенной дисперсией (DS или DSF)
• С ненулевой смещенной дисперсией (NZ, NZDSF или NZDS)

Два последних типа используются на гораздо дальние дистанции, чем стандартное оптоволокно.

Сейчас ведутся исследования, в результате которых скоро появится возможность передавать данные со скоростью до 160 Гбит/с.

Из чего изготавливается?

На сегодняшний день существует несколько технологий производства оптоволоконных кабелей. Основное отличие между ними заключается в материале, из которого изготавливается стержень. Это может быть:

• Кварцевое стекло
• Пластик
• Полимерные материалы

От этого зависят не только пропускные характеристики, но и конечная стоимость оптоволокна.

Строение оптоволоконного кабеля

В этой статье мы не будем рассматривать все виды представленного на рынке оптоволокна. Приведем в пример некий усредненный вариант:

1. Центральный (осевой) стержень
2. Оптоволокно
3. Пластиковые модули
4. Пленка с гидрофобным гелем
5. Внутренняя оболочка из полиэтилена
6. Броня (армирование)
7. Наружная полиэтиленовая оболочка

Рассмотрим их подробнее.

Центральный стержень

Представлен в виде стеклопластиковой трубки, которая может быть, как обернута в оболочку из полимера, так и быть без нее. Но в последнем случае нужно понимать, что такой провод может легко сломаться в местах изгибов, повреждая расположенное вокруг оптическое волокно. Сама трубка нужна для придания жесткости всему кабелю.

Оптоволокно

Оптические нити, как правило, изготавливаются толщиной в 125 микрон. Столько же примерно сколько и человеческий волос. Каждая нить состоит из сердцевины, по которой и идет передача данных, и специальной оболочки вокруг из кварцевого стекла, которое обеспечивает полное преломление света.

Когда вы видите маркировку кабеля 9/125 – это значит, что 9 микрон составляет сердечник, а 125 – его оболочка. При количество оптических волокон также обязательно проставляется в маркировке и может составлять от 2 до 144.

Пластиковые модули

Представляют собой оболочку из пластика, в которой расположен непосредственно сам пучок оптических нитей и специальная гидрофобная смазка. При этом в оптоволоконном проводе таких модулей может быть сразу несколько, если нитей очень много. Эта пластиковая оболочка нужна для защиты от различных внешних повреждений.

Пленка с гидрофобным гелем и оболочка из полиэтилена

Они обе также выполняют защитную функцию, в основном от трения модулей между собой и влаги. Разные производители могут добавить дополнительные слои гидрофобом или армировать.

Броня

При производстве ставят один из следующих типов:

• Кевлар – переплетенные нити. Применяется для уменьшения веса самого кабеля или в тех случаях, когда нельзя использовать металл
• Проволочное кольцо из стали. Эти провода предназначены для подземной укладки.
• Гофрированная сталь. Это оптоволокно применяется для прокладывания в трубах и канализации. Защищает в основном от грызунов.

Наружная полиэтиленовая оболочка

Это наиболее важный элемент защиты кабеля. Ведь именно этот внешний слой должен выдерживать все нагрузки и повреждения. Если он будет испорчен, то и риск порчи самого кабеля значительно возрастает.

Оптоволоконный кабель. Виды и устройство. Установка и применение

В современном мире необходимо качественно и быстро передавать информацию. Сегодня нет более совершенного и эффективного способа передачи данных, чем оптоволоконный кабель. Если кто-то думает, что это уникальная разработка, то он глубоко ошибается. Первые оптические волокна появились еще в конце прошлого столетия, и до сих пор ведутся работы по развитию этой технологии.

На сегодняшний день мы уже имеем передающий материал, уникальный по свойствам. Его применение получило широкую популярность. Информация в наше время имеет большое значение. С помощью нее мы общаемся, развиваем экономику и быт. Скорость передачи информации при этом должна быть высокой для того, чтобы обеспечить необходимый темп современной жизни. Поэтому сейчас многие интернет провайдеры внедряют оптоволоконный кабель.

Этот тип проводника предназначен только на передачу импульса света, несущего часть информации. Поэтому его применяют для передачи информативных данных, а не для подключения питания. Оптоволоконный кабель дает возможность повысить скорость в несколько раз, в сравнении с проводами из металла. При эксплуатации он не имеет побочных явлений, ухудшения качества на расстоянии, перегрева провода. Достоинством кабеля на основе оптических волокон является невозможность влияния на передаваемый сигнал, поэтому ему не нужен экран, блуждающие токи на него не действуют.

Классификация

Оптоволоконный кабель имеет большие отличия от витой пары, исходя из области применения и места монтажа. Выделяют основные виды кабелей на основе оптического волокна:

• Для внутреннего монтажа.
• Установки в кабельные каналы, без брони.
• Установки в кабельные каналы, бронированный.
• Укладки в грунт.
• Подвесной, не имеющий троса.
• Подвесной, с тросом.
• Для подводного монтажа.

Устройство

Самое простое устройство имеет оптоволоконный кабель для внутреннего монтажа, а также кабель обычного исполнения, не имеющего брони. Наиболее сложная конструкция у кабелей для подводного монтажа и для монтажа в грунт.

Кабель для внутреннего монтажа

Внутренние кабели делят на абонентские, для прокладки к потребителю, и распределительные для создания сети. Оптику проводят в кабельных каналах, лотках. Некоторые разновидности прокладывают по фасаду здания до распредкоробки, либо до самого абонента.

Устройство оптоволокна для внутренней прокладки состоит из оптического волокна, специального защитного покрытия, силовых элементов, например, троса. К кабелю, прокладываемому внутри зданий, предъявляются требования пожарной безопасности: стойкость к горению, низкое выделение дыма. Материал оболочки кабеля состоит из полиуретана, а не полиэтилена. Кабель должен быть легким, тонким и гибким. Многие исполнения оптоволоконного кабеля облегчены и защищены от влаги.

Внутри помещений кабель обычно прокладывается на небольшие расстояния, поэтому о затухании сигнала и влиянии на передачу информации речи не идет. В таких кабелях количество оптоволокна не более двенадцати. Существуют и гибридные оптоволоконные кабели, имеющие в составе витую пару.

Кабель без брони для кабельных каналов

Оптика без брони применяется для монтажа в кабельные каналы, при условии, что не будет механических воздействий снаружи. Такое исполнение кабеля применяется для тоннелей и коллекторов домов. Его укладывают в трубы из полиэтилена, вручную или специальной лебедкой. Особенностью такого исполнения кабеля является наличие гидрофобного наполнителя, гарантирующего нормальную эксплуатацию в кабельном канале, защищает от влаги.

Кабель с броней для кабельных каналов

Оптоволоконный кабель с броней применяется тогда, когда присутствуют нагрузки снаружи, например, на растяжение. Броня выполняется по-разному. Броня в виде ленты применяется, если нет воздействия агрессивных веществ, в кабельных каналах, тоннелях и т.д. Конструкция брони состоит из стальной трубы (гофрированная, либо гладкая), с толщиной стенки 0,25 мм. Гофрирование выполняют тогда, когда это является одним слоем защиты кабеля. Оно защищает оптическое волокно от грызунов, увеличивает гибкость кабеля. При условиях с большим риском повреждений применяют броню из проволоки, например, на дне реки, или в грунте.

Кабель для укладки в грунт

Для монтажа кабеля в грунт применяют оптоволокно с броней из проволоки. Могут использоваться также кабели с ленточной броней, усиленные, но они не нашли широкого применения. Для прокладки оптоволокна в грунт задействуют кабелеукладчик. Если монтаж в грунт осуществляется в холодное время при температуре менее -10 градусов, то кабель заранее нагревают.

Для мокрого грунта применяют кабель с герметичным оптоволокном в металлической трубке, а броня из проволоки пропитывается водоотталкивающим составом. Специалисты делают расчеты по укладке кабеля. Они определяют допустимые растяжения, нагрузки на сдавливание и т. д. Иначе по истечении определенного времени оптические волокна повредятся, и кабель придет в негодность.

Броня оказывает влияние на величину допускаемой нагрузки на растяжение. Оптоволокно с броней из проволоки выдерживает нагрузку до 80 кН, с ленточной броней нагрузка может быть не более 2,7 кН.

Подвесной оптоволоконный кабель без брони

Такие кабели устанавливаются на опоры линий связи и питания. Так производить монтаж проще и удобнее, чем в грунт. При этом есть важное ограничение – во время монтажа температура не должна опускаться ниже -15 градусов. Сечение кабеля имеет круглую форму. Благодаря этому уменьшаются нагрузки от ветра на кабель. Расстояние между опорами должно быть не больше 100 метров. В конструкции есть силовой элемент в виде стеклопластика.

Благодаря силовому элементу кабель может выдержать большие нагрузки, направленные вдоль него. Силовые элементы в виде арамидных нитей применяют при расстояниях между столбами до 1000 метров. Достоинством арамидных нитей, кроме малой массы и прочности, являются диэлектрические свойства арамида. При ударе молнии в кабель, никаких повреждений не будет.

Сердечники подвесных кабелей по их типу делят на:

• Кабель с сердечником в виде профиля, оптоволокно устойчиво к сдавливанию и растяжению.
• Кабель с модулями скрученного вида, оптические волокна проложены свободно, имеется устойчивость к растяжению.
• С оптическим модулем, сердечник кроме оптоволокна ничего в составе не имеет. Недостаток такого исполнения – неудобно идентифицировать волокна. Преимущество – малый диаметр, низкая стоимость.

Оптоволоконный кабель с тросом

Тросовое оптоволокно является самонесущим. Такие кабели применяются для прокладки по воздуху. Трос бывает несущим или навивным. Есть модели кабеля, в котором оптоволокно находится внутри молниезащитного троса. Кабель, усиленный профильным сердечником, обладает достаточной эффективностью. Трос состоит из стальной проволоки в оболочке. Эта оболочка соединена с оплеткой кабеля. Свободный объем заполнен гидрофобным веществом. Такие кабели прокладывают с расстоянием между столбами не более 70 метров. Ограничением кабеля является невозможность прокладки на линию электропитания.

Кабели с тросом для грозовой защиты устанавливаются на высоковольтных линиях с фиксацией на заземление. Тросовый кабель используется при рисках его повреждения животными, либо на большие дистанции.

Оптоволоконный кабель для укладки под водой

Такой тип оптоволокна обособлен от остальных, потому что его укладка проходит в особых условиях. Все подводные кабели имеют броню, конструкция которой зависит от глубины прокладки и рельефа дна водоема.

Некоторые виды подводного оптоволокна по исполнению брони с:

• Одинарной броней.
• Усиленной броней.
• Усиленной двойной броней.
• Без брони.

1› Изоляция из полиэтилена.
2› Майларовое покрытие.
3› Двойная броня из проволоки.
4› Гидроизоляция алюминиевая.
5› Поликарбонат.
6› Центральная трубка.
7› Заполнитель гидрофобный.
8› Оптоволокно.

Размер брони не зависит от глубины прокладки. Армирование защищает кабель только от обитателей водоема, якорей, судов.

Сварка оптоволокна

Для сварки используется сварочный аппарат специального типа. В его составе содержится микроскоп, зажимы для фиксации волокон, дуговая сварка, камера термоусадки для нагрева гильз, микропроцессор для управления и контроля.

Краткий техпроцесс сварки оптоволокна:

• Снятие оболочки стриппером.
• Подготовка к сварке. На концы надеваются гильзы. Концы волокон обезжириваются спиртом. Конец волокна скалывается специальным приспособлением под определенным углом. Волокна укладываются в аппарат.
• Сварка. Волокна выравниваются. При автоматическом управлении положение волокон устанавливается автоматически. После подтверждения сварщика, волокна свариваются аппаратом. При ручном управлении все операции проводятся вручную специалистом. При сварке волокна плавятся дугой электрического тока, совмещаются. Затем свариваемое место прогревается во избежание внутренних напряжений.
• Проверка качества. Автомат сварки проводит анализ картинки места сварки по микроскопу, определяет оценку работы. Точный результат получают рефлектометром, который выявляет неоднородность и затухание на линии сварки.
• Обработка и защита свариваемого места. Надетая гильза сдвигается на сварку и закладывается в печь для термоусадки на одну минуту. После этого гильза остывает, ложится в защитную пластину муфты, накладывается запасное оптическое волокно.

Достоинства оптоволоконного кабеля

Основным достоинством оптоволокна является повышенная скорость передачи информации, практически нет затухания сигнала (очень низкое), а также, безопасность передачи данных.

• Невозможно подключиться к оптической линии без санкций. При любом включении в сеть оптические волокна повредятся.
• Электробезопасность. Она повышает популярность и область применения таких кабелей. Их все больше используют в промышленности при опасности взрывов на производстве.
• Имеет хорошую защиту от помех природного происхождения, электрооборудования и т.д.

Источник: gk-rosenergo.ru