Структура волоконно оптического 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:

Центральный (осевой) элемент.
Оптическое волокно.
Пластиковые модули для оптических волокон.
Пленка с гидрофобным гелем.
Полиэтиленовая оболочка.
Броня.
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.

Конструкция волоконно-оптического кабеля

Оптоволоконный кабель был разработан специально для передачи данных на большие расстояния с высокой скоростью. Состоящий из одной или нескольких нитей стекла толщиной с человеческий волос, заключенных в изолированную внешнюю оболочку, оптический кабель обеспечивает более высокую пропускную способность, чем другие виды кабеля, и способен передавать данные на большие расстояния. Эти кабели отвечают за поддержку большинства мировых телефонных систем, кабельного телевидения и Интернета.

Используя световые импульсы, генерируемые светодиодами или небольшими лазерами, оптоволоконный кабель передает сигналы. В центре каждой стеклянной нити находится «сердцевина», а сердцевина окружена оболочкой — слоем стекла, которое отражает свет внутрь, в следствии чего он проходит через изгибы кабеля, избегая потери сигнала.

Конструкция оптоволоконного кабеля

Конструкция волоконно-оптических кабелей выполняет задачу защиты внутренней сердцевины волокна, по которой передается световой сигнал. Она включает в себя сердцевину волокна, оболочку, первичное покрытие, силовые элементы (или волокна, обеспечивающие буферное усиление) и оболочку кабеля.

Сердечник — волоконная сердцевина оптического кабеля является центральной физической средой, которая передает световой сигнал, полученный от подключенного источника света, и доставляет его на приемное устройство. Эта сердцевина представляет собой непрерывную тонкую прядь из кварцевого стекла или пластика, размер которой измеряется размером ее внешнего диаметра. В то время как одномодовые жилы обычно имеют размер менее 9 мкм, наиболее распространенные размеры многомодовых волоконно-оптических кабелей составляют 50 мкм и 62,5 мкм.
Оболочка — она представляет собой тонкий слой стекла, который окружает сердцевину волокна, образуя единое твердое стекловолокно, используемое для передачи света. Она создает границу, содержащую световые волны, вызывающие преломление. Это позволяет данным перемещаться по длине сегмента волокна.
Первичное покрытие — оно наносится после облицовки и также известно как первичный буфер. Оно разработано для поглощения ударов, защиты от чрезмерных изгибов и усиления сердцевины волокна. Это первичное покрытие в основном представляет собой слой пластика, который не мешает оболочке или светопропусканию сердечника. Эти покрытия измеряются в микронах — буфер составляет 900 мкм, а покрытие — 250 мкм.
Силовые элементы — также известные как укрепляющие волокна, это нити из кевлара (арамидная пряжа), специально размещенные для защиты сердечника от чрезмерного натяжения во время установки и других сил сжатия.
Оболочка кабеля — внешний слой любого кабеля называется оболочкой кабеля. Кабель обычно покрыт толстой пластиковой оболочкой, которая обеспечивает первичную защиту от истирания, сопротивление порезам, сопротивление раздавливанию и дополнительное сопротивление чрезмерному изгибу. В кабелях для легких нагрузок могут использоваться материалы оболочки из поливинилхлорида (ПВХ) или полиуретана. Более прочные полиэтиленовые (PE) материалы используются для наружных и более тяжелых кабелей. Следует повторить, что материалы пластиковой оболочки обеспечивают ограниченную защиту от проникновения воды в кабели и требуют наличия влагозащитных барьеров.

Основные различия конструкции

Сравнение симплексного и дуплексного коммутационного кабеля

Симплексный волоконно-оптический кабель состоит из одной жилы из пластика или стекловолокна. Обычно он используется, когда применяется мультиплексный сигнал данных или когда между устройствами требуется только одна линия передачи и приема. С другой стороны, дуплексный оптоволоконный кабель с застежкой-молнией состоит из двух жил, соединенных тонкой тканью, и обычно используется там, где для дуплексной связи между устройствами необходимы отдельные передача и прием.

Как многомодовые, так и одномодовые патч-корды могут быть дуплексными или симплексными, а дуплексные с застежкой-молнией и симплексные кабели имеют плотную буферизацию и имеют оплетку из волокон, усиленных кевларом.

Сравнение кабеля распределительного типа и кабеля коммутационного типа

Обычно небольшие с физической точки зрения распределительные кабели состоят из волокон, плотно связанных друг с другом в одной оболочке. Затем их устанавливают и укрепляют стекловолокном или кевларом. Распределительные кабели можно использовать как в горизонтальных, так и в вертикальных пространствах. Хотя возможно прямое оконцовывание волокон в кабеле распределительного типа, следует помнить, что волокна в жгуте не армируются по отдельности и, следовательно, должны быть заделаны внутри шкафа, корпуса волокна, распределительной коробки или коммутационной панели.

С другой стороны, кабели коммутационного типа имеют более крупную и прочную конструкцию, чем кабели распределительного типа. Подходящие как для статического, так и для стоякового пространства, кабели коммутационного типа состоят из пучка отдельных симплексных кабелей.

Сравнение кабеля со свободными трубками и кабеля с плотной буферизацией

Буфер — это защитный слой, который наносится непосредственно на волокно для защиты волокна или кабеля от физического повреждения. Методы изготовления включают свободные трубки, куда помещается волокно, а свободное пространство заполняется гелем, и плотную буферизацию, созданную методом выдавливания пластмассы. Так же кабель может иметь несколько буферных слоев. Кабели с плотным буфером и кабели со свободными трубками всегда каким-то образом усилены, например, проволочными прядями из нержавеющей стали или арамидной нитью. Однако на этом сходство заканчивается, поскольку каждый из них был разработан для использования в совершенно разных пространствах.

Кабели со свободными трубками ( loose tube) подходят для использования на открытом воздухе и рассчитаны на работу в суровых погодных условиях, в том числе в местах с высокой влажностью. Частично жесткие трубки или защитные рукава защищают оболочку, сердцевину волокна и покрытие, а сами волокна дополнительно защищены от влаги с помощью водостойкого геля. Сужаясь и расширяясь при изменении температуры, кабельная разводка с гелиевым наполнением защищает от конденсации и воды, но это не идеальный выбор для внутреннего пространства.

Длинные внутренние участки или участки LAN / WAN средней длины лучше всего обслуживать с помощью кабеля с плотной буферизацией (tight buffer) , который прочнее, чем варианты со свободными трубками. Поскольку внутренний гель или комплект разветвителей для заделки или сращивания не требуется, кабели с плотным буферным покрытием проще установить в помещениях, чем вариации со свободными трубками. При этом плотный буфер имеет тенденцию к микро-изгибам, поэтому волокна часто имеют более высокие потери, чем в кабелях со свободными трубками.

Ленточный кабель

Вариантом конструкции с плотным буфером является использование ленточного кабеля. Группа покрытых волокон размещается параллельно, а затем инкапсулируется в пластик, образуя многоволоконный ленточный кабель. Отдельные ленты могут содержать от 5 до 12 волокон, и несколько лент могут быть сложены вместе, чтобы сформировать сердцевину. При этом надо учитывать, что установочные усилия обычно неравномерно распределяются по ширине ленты, поэтому отдельные волокна могут иметь разную деформацию, что приводит к чрезмерным потерям и повреждению волокна.

Кабели двойного назначения для использования внутри и вне помещений

Благодаря технологии для защиты от утечки влаги и буферным трубкам, заполненным гелем, чтобы остановить миграцию влаги, универсальный кабель идеально подходит для использования в стояках, лотках и воздушных пространствах. Он заключен в наружную оболочку с верхним слоем из арамидной пряжи и слоем огнезащитного материала, защищающим сердечник и трос.

Бронированный кабель

Бронированный кабель подходит для использования практически в любом месте. Защищенный от грызунов и суровых условий он имеет прочную металлическую бронированную оболочку для дополнительной защиты. Такая конструкция не требует трубопроводов, что позволяет сэкономить деньги и время на установку по сравнению с прокладкой оптоволоконного кабеля через внутренние каналы.

Кабель, устойчивый к грызунам и воде, предназначен для работы в экстремальных погодных условиях и заканчивается в пределах 15 метрах от входа в здание.

Гибкий и довольно легкий, несмотря на броню, он на удивление прочен и часто является лучшим выбором для линий связи в помещениях, которые не мешают.

Класс оптоволоконных кабелей

Волоконно-оптические кабели также можно разделить на четыре основные области применения: воздушные, подземные, подводные и кабель для внутренних помещений. Обратите внимание, что список не является исчерпывающим, и некоторые специализированные модели должны сочетать в себе функции нескольких из этих категорий. В связи с этим могут меняться и элементы конструкции.

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:

Центральный (осевой) стержень
Оптоволокно
Пластиковые модули
Пленка с гидрофобным гелем
Внутренняя оболочка из полиэтилена
Броня (армирование)
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.

Типы линий связи локальных сетей

Оптоволоконные кабели

Оптоволоконный (он же волоконно-оптический) кабель – это принципиально иной тип кабеля по сравнению с рассмотренными двумя типами электрического или медного кабеля. Информация по нему передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент – это прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением.

Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля (рис. 2.4). Только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром около 1 – 10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции – стеклянная или пластиковая оболочка , не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. В данном случае речь идет о режиме так называемого полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется. Однако иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей ).

Оптоволоконный кабель обладает исключительными характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемой информации. Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как при этом нарушается целостность кабеля. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 10 12 Гц, то есть 1000 ГГц, что несравнимо выше, чем у электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля .

Типичная величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах, используемых в локальных сетях, составляет от 5 до 20 дБ/км, что примерно соответствует показателям электрических кабелей на низких частотах. Но в случае оптоволоконного кабеля при росте частоты передаваемого сигнала затухание увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) его преимущества перед электрическим кабелем неоспоримы, у него просто нет конкурентов.

Однако оптоволоконный кабель имеет и некоторые недостатки.

Самый главный из них – высокая сложность монтажа (при установке разъемов необходима микронная точность , от точности скола стекловолокна и степени его полировки сильно зависит затухание в разъеме). Для установки разъемов применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. В любом случае для этого нужна высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому чаще всего оптоволоконный кабель продается в виде заранее нарезанных кусков разной длины, на обоих концах которых уже установлены разъемы нужного типа. Следует помнить, что некачественная установка разъема резко снижает допустимую длину кабеля, определяемую затуханием .

Также надо помнить, что использование оптоволоконного кабеля требует специальных оптических приемников и передатчиков, преобразующих световые сигналы в электрические и обратно, что порой существенно увеличивает стоимость сети в целом.

Оптоволоконные кабели допускают разветвление сигналов (для этого производятся специальные пассивные разветвители ( couplers ) на 2—8 каналов), но, как правило, их используют для передачи данных только в одном направлении между одним передатчиком и одним приемником. Ведь любое разветвление неизбежно сильно ослабляет световой сигнал, и если разветвлений будет много, то свет может просто не дойти до конца сети. Кроме того, в разветвителе есть и внутренние потери, так что суммарная мощность сигнала на выходе меньше входной мощности.

Оптоволоконный кабель менее прочен и гибок, чем электрический. Типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10 – 20 см, при меньших радиусах изгиба центральное волокно может сломаться. Плохо переносит кабель и механическое растяжение, а также раздавливающие воздействия.

Чувствителен оптоволоконный кабель и к ионизирующим излучениям, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна, то есть увеличивается затухание сигнала . Резкие перепады температуры также негативно сказываются на нем, стекловолокно может треснуть.

Применяют оптоволоконный кабель только в сетях с топологией звезда и кольцо. Никаких проблем согласования и заземления в данном случае не существует. Кабель обеспечивает идеальную гальваническую развязку компьютеров сети. В будущем этот тип кабеля, вероятно, вытеснит электрические кабели или, во всяком случае, сильно потеснит их. Запасы меди на планете истощаются, а сырья для производства стекла более чем достаточно.

Существуют два различных типа оптоволоконного кабеля :

многомодовый или мультимодовый кабель, более дешевый, но менее качественный;
одномодовый кабель, более дорогой, но имеет лучшие характеристики по сравнению с первым.

Суть различия между этими двумя типами сводится к разным режимам прохождения световых лучей в кабеле.

В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь , в результате чего они достигают приемника одновременно, и форма сигнала почти не искажается (рис. 2.5). Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает свет только с такой же длиной волны (1,3 мкм). Дисперсия и потери сигнала при этом очень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние , чем в случае применения многомодового кабеля. Для одномодового кабеля применяются лазерные приемопередатчики, использующие свет исключительно с требуемой длиной волны. Такие приемопередатчики пока еще сравнительно дороги и не долговечны. Однако в перспективе одномодовый кабель должен стать основным типом благодаря своим прекрасным характеристикам. К тому же лазеры имеют большее быстродействие , чем обычные светодиоды. Затухание сигнала в одномодовом кабеле составляет около 5 дБ/км и может быть даже снижено до 1 дБ/км.

В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается (рис. 2.6). Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки 125 мкм (это иногда обозначается как 62,5/125). Для передачи используется обычный (не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем. Длина волны света в многомодовом кабеле равна 0,85 мкм, при этом наблюдается разброс длин волн около 30 – 50 нм. Допустимая длина кабеля составляет 2 – 5 км. Многомодовый кабель – это основной тип оптоволоконного кабеля в настоящее время, так как он дешевле и доступнее. Затухание в многомодовом кабеле больше, чем в одномодовом и составляет 5 – 20 дБ/км.

Типичная величина задержки для наиболее распространенных кабелей составляет около 4—5 нс/м, что близко к величине задержки в электрических кабелях.

Оптоволоконные кабели , как и электрические, выпускаются в исполнении plenum и non- plenum .

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.

Читайте также Инкубация перепелиных яиц

Таблица: применение многомодовых кабелей различных классов

Класс волокна	Размер ядра/демпфера, мкм	Коэффициент широкополосности, режим OFL, МГц·км		Где применяются
Класс волокна	Размер ядра/демпфера, мкм	850 нм	1300 нм	Где применяются
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.

Оптоволоконные кабели — устройство, виды и характеристики

В оптоволоконных кабелях, в отличие от кабелей с медными или алюминиевыми жилами, в качестве среды для передачи сигнала используется прозрачный волоконный световод. Сигнал здесь передается не с помощью электрического тока, а с помощью света. Это значит, что движутся практически не электроны, а фотоны, соответственно и потери при передаче сигнала оказываются пренебрежимо малы.

Данные кабели идеальны в качестве средства передачи информации, ведь свет способен проходить по прозрачному стекловолокну практически беспрепятственно на десятки километров, при этом интенсивность света уменьшается незначительно.

Бывают GOF-кабели (англ. glass optic fiber cable) — со стеклянным волокном, а также POF-кабели (англ. plastic optic fiber cable) — с прозрачным пластиковым волокном. И те и другие традиционно называются оптоволоконными или волоконно-оптическими кабелями.

Устройство оптоволоконного кабеля

Оптоволоконный кабель имеет достаточно простое устройство. В центре кабеля расположен световод из стекловолокна (его диаметр не превышает 10 мкм) облаченный в защитную пластиковую или стеклянную оболочку, обеспечивающую полное внутреннее отражение света за счет разности коэффициентов преломления на границе двух сред.

Получается что свет, на всем своем пути от передатчика к приемнику, не может выйти из центральной жилы. К тому же свету не страшны электромагнитные помехи, поэтому такой кабель не нуждается в электромагнитном экранировании, а нуждается лишь в упрочнении.

Для придания оптоволоконному кабелю механической прочности, применяют особые меры — делают кабель бронированным, тем более когда речь заходит о многожильных оптических кабелях, несущих сразу несколько отдельных световодов. Кабели для подвесного монтажа требуют особого упрочнения металлом и кевларом.

Самая простая конструкция оптоволоконного кабеля — стеклянное волокно в пластиковой оболочке. Более сложная конструкция — многослойный кабель с упрочняющими элементами, например для прокладки под водой, под землей или для подвесного монтажа.

В многослойном броневом кабеле несущий упрочняющий трос изготовлен из заключенного в полиэтиленовую оболочку металла. Вокруг него располагаются светонесущие пластиковые или стеклянные волокна. Каждое отдельное волокно покрыто слоем цветного лака в качестве цветовой маркировки и для защиты от механических повреждений. Пучки волокон облачены в пластиковые трубки, заполненные гидрофобным гелем.

В одной пластиковой трубке может находиться от 4 до 12 таких волокон, в то время как общее количество волокон в одном таком кабеле может доходить до 288 штук. Трубки оплетены нитью, стягивающей пленку, смоченную гидрофобным гелем — для большего демпфирования механических воздействий. Трубки и центральный кабель заключены в полиэтилен. Далее идут кевларовые нити, практически и обеспечивающие многожильному кабелю броню. Потом снова полиэтилен для защиты от влаги, и наконец внешняя оболочка.

Два основных типа оптоволоконных кабелей

Оптоволоконные кабели есть двух типов: многомодовый и одномодовый. Многомодовый стоит дешевле, одномодовый — дороже.

Одномодовый кабель обеспечивает лучам, проходящим по световоду, практически один и тот же путь без существенных взаимных отклонений, в итоге на приемник все лучи приходят одновременно и без искажений формы сигнала. Диаметр световода в одномодовом кабеле составляет около 1,3 мкм, и свет именно с такой длиной волны следует по нему передавать.

По этой причине в качестве передатчика используется источник лазерного излучения с монохроматическим светом строго требуемой длины волны. Именно кабели данного типа (одномодовые) рассматриваются сегодня как наиболее перспективные для коммуникаций на значительные расстояния в будущем, но пока они дороги и недолговечны.

Многомодовый кабель менее «точен», чем одномодовый. Лучи от передатчика идут в нем с разбросом, и на стороне приемника имеется некоторое искажение формы передаваемого сигнала. Диаметр световодного волокна в многомодовом кабеле составляет 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки 125 мкм.

Здесь используется обычный (а не лазерный) светодиод на стороне передатчика (с длиной волны 0,85 мкм), и оборудование получается не таким дорогим как с лазерным источником света, да и срок службы у нынешних многомодовых кабелей дольше. Кабели данного типа не превышают по длине 5 км. Типовое время задержки сигнала при передаче составляет порядка 5 нс/м.

Достоинства оптоволоконных кабелей

Так или иначе, оптоволоконный кабель принципиально отличается от обычных электрических кабелей исключительной помехозащищенностью, что обеспечивает максимальную сохранность как целостности, так и конфиденциальности передаваемой по нему информации.

Электромагнитная помеха, направленная на оптоволоконный кабель, не способна исказить световой поток, да и сами фотоны не порождают внешнего электромагнитного излучения. Без нарушения целостности кабеля невозможно перехватить передаваемую по нему информацию.

Полоса пропускания оптоволоконного кабеля теоретически составляет 10^12 Гц, что не идет ни в какое сравнение с токонесущими кабелями любой сложности. Можно легко передавать информацию со скоростью до 10 Гбит/с на километры.

Сам по себе оптоволоконный кабель стоит не дорого, почти так же, как тонкий коаксиальный кабель. Но основная доля удорожания готовой сети все же приходится на передающее и приемное оборудование, задача которого — преобразовать электрический сигнал в свет и обратно.

Затухание светового сигнала при прохождении через оптоволоконный кабель локальной сети не превышает 5 дБ на 1 километр, то есть почти такое же как у электрического сигнала низкой частоты. При том чем выше частота — тем выраженнее оказывается преимущество оптической среды перед традиционными электрическими проводниками — затухание растет незначительно. А на частотах выше 0,2 ГГц оптоволоконный кабель однозначно оказывается вне конкуренции. Практически возможно довести расстояние передачи до 800 км.

Оптоволоконные кабели применимы в сетях с топологиями «кольцо» или «звезда», при этом полностью отсутствуют проблемы заземления и согласования с нагрузкой, вечно актуальные для электрических кабелей.

Идеальная гальваническая развязка, наряду с вышеперечисленными достоинствами, позволяет аналитикам прогнозировать, что в сетевых коммуникациях оптоволоконные кабеля вскоре полностью вытеснят электрические, тем более с учетом растущего дефицита меди на планете.

Недостатки оптоволоконных кабелей

Справедливости ради, нельзя не упомянуть и о недостатках волоконно-оптических систем передачи информации, главный из которых — сложность монтажа систем и высокие требования к точности установки разъемов. Микронное отклонения при монтаже разъема способно привести к увеличению затухания в нем. Здесь необходима высокоточная сварка или специальный клеевой гель, коэффициент преломления света в котором аналогичен оному в самом монтируемом стекловолокне.

По этой причине квалификация персонала не допускает снисхождения, необходимы специальные инструменты и высокое мастерство владения ими. Чаще всего прибегают к использованию готовых кусков кабеля, на концах которых уже установлены готовые разъемы требуемого типа. Для разветвления сигнала от оптоволокна, применяют специализированные разветвители на несколько каналов (от 2 до 8), но при разветвлении неизбежно происходит ослабление света.

Конечно, оптоволокно является менее прочным и менее гибким материалом нежели та же медь, и изгибать оптоволокно на радиус менее чем 10 см небезопасно для его сохранности. Ионизирующие излучения снижают прозрачность оптоволокна, усиливают затухание передаваемого светового сигнала.

Оптоволоконные кабели стойкие к радиации стоят дороже обычных оптоволоконных кабелей. Резкий перепад температуры может привести к образованию трещины в световоде. Безусловно, оптоволокно уязвимо и к механическим воздействиям, к ударам, к ультразвуку; для защиты от этих факторов применяются специальные мягкие звукопоглощающие материалы оболочек кабелей.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник: gk-rosenergo.ru