Волоконно-оптические кабели связи
В данную группу входят кабели, состоящие из кварцевых оптических волокон (ОВ) (световодов), обеспечивающих распространение световых сигналов. Для обеспечения стабильной работы ОВ и уменьшения опасности их разрыва под воздействием продольных и поперечных напряжений, волокна защищают первичными и вторичными покрытиями. Первичное покрытие, накладываемое сплошным слоем непосредственно на оболочку ОВ после его вытяжки, предохраняет поверхность ОВ от повреждения и придает ему дополнительную механическую прочность. В качестве вторичного покрытия ОВ используются:
- трубка или паз со свободно размещаемыми в них ОВ с первичным защитным покрытием;
- сплошное полимерное покрытие;
- ленточный элемент, в котором, образуя линейную матрицу, размещаются ОВ с первичным защитным покрытием.
В трубчатом элементе (трубке), выполняющем роль вторичного защитного покрытия, свободно размещаемые ОВ с первичным защитным покрытием обычно укладываются без скрутки либо путем скрутки вокруг центрального силового элемента.
ОВ с защитным покрытием является «главным действующим лицом» волоконно-оптического кабеля, аналогичного изолированной токопроводящей жиле электрического кабеля связи.
Волоконно оптические кабели предназначаются для сетей передачи данных со скоростью передачи до 1 терабит в секунду.
Справка
В настоящее время волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) прочно занимают свои позиции и интенсивно развиваются.
Статистические данные показывают, что при числе каналов более 10 тысяч ВОЛС экономичнее радиорелейных линий и спутниковых систем связи. На долю ВОЛС в области дальней связи приходится 60–70% каналов, а на долю спутниковых и радиорелейных линий — 30–40%.
Стремительными темпами идет замена кабелей с металлическими жилами на волоконно-оптические кабели на всех участках сетей, в том числе и на абонентских линиях города и села. Перспективными являются наземные и подводные ВОЛС. Длительный срок службы (25 лет) и закрытая (не зависит от метеорологических условий) система связи также являются преимуществами ВОЛС.
В Глобальной сети связи 60% линий образуют наземные и подводные ВОЛС.
Объем потребления волоконно-оптических кабелей связи в мире увеличился за последние четыре года на 110%.
Оптические кабели связи — один из наиболее перспективных видов сетевой кабельной продукции. Они с каждым днем получают все более широкое распространение, поскольку являются непревзойденными по характеристикам передачи и позволяют обеспечить высочайшую информационную емкость канала связи.
Конструкция типовой марки
ОКСТМ
- Центральный силовой элемент;
- Модули:
2.1. Оптическое волокно;
2.2. Полимерная трубка;
2.3. Гидрофобный заполнитель; - Гидрофобный заполнитель;
- Броня из гофрированной стальной ленты;
- Внешняя оболочка из полиэтилена.
Маркообразование
Оптический кабель
| ОМЗКГМ | -10 | -01 | -0,22 | -16 | -(7,0) |
| Допустимое растягивающее усилие, (кН) | |||||
| Количество оптических волокон (ОВ) | |||||
| Коэффициент затухания: 0,22 дБ/км на длине волны 1550 нм; 0,35 дБ/км на длине волны 1310 нм; 0,70 дБ/км на длине волны 1310 нм; | |||||
| Номер разработки: для кабелей с индексом М и МН: 01 — центральный силовой элемент (ЦСЭ) из стеклопластика; 02 — из стального троса; 03 — из стальной проволоки; | |||||
| Диаметр модового поля, сердцевины: 10 — для одномодового ОВ с несмещенной дисперсией; 10А — для одномодового ОВ с низким пиком воды и расширенной рабочей полосой длин волн; 9,5 — для одномодового ОВ с ненулевой смещенной дисперсией; 50 — для многомодового ОВ; 62,5 — для многомодового ОВ; | |||||
| Обозначение назначения кабеля, условий прокладки и конструктивных особенностей: ОМЗКГМ: О — Оптический кабель, М — Магистральный, 3 — Зоновый, К — Канализация, Г — Грунт, М — Многомодульной конструкции. ОМЗКГЦ: О — Оптический кабель, М — Магистральный, 3 — Зоновый, К — Канализация, Г — Грунт, Ц — Одномодульной конструкции с центральной трубкой. ОКСТМН: ОК — Оптический кабель, СТ — Стальная гофрированная броня, М — Многомодульной конструкции, Н — Негорючая оболочка. ОКСТЦ: ОК — Оптический кабель, СТ — Стальная гофрированная броня, Ц — Одномодульной конструкции с центральной трубкой. ОККТМ: ОК — Оптический кабель, К — Канализация, Т — Трубы пластмассовые, М — Многомодульной конструкции. ОККТЦ: ОК — Оптический кабель, К — Канализация, Т — Трубы пластмассовые, Ц — Одномодульной конструкции с центральной трубкой. ОКСНМ: ОК — Оптический кабель, С — Самонесущий, Н — Неметаллический, М — Многомодульной конструкции. | |||||
Оптический грозотрос
| ОКГТ- | Ц- | 1- | 24 | (8G.652/16G.655) – | 14/ | 106 |
| Механическая прочность на разрыв: от 51 kH | ||||||
| Диаметр кабеля: от 9 до 25 мм | ||||||
| Тип ОВ в кабеле: G.652 — одномодовое стандартное; G.655 — одномодовое с ненулевой смещенной дисперсией. В случае, если в кабеле используются оптические волокна различного типа, сначала указывается общее количество волокон, а в скобках – число волокон каждого типа с разделением косой чертой. | ||||||
| Общее число ОВ в кабеле: от 2 до 288. | ||||||
| Число оптических модулей: от 1 до 6. | ||||||
| Тип конструкции: Ц (C) — исполнение с центральной стальной трубкой с уложенными внутри ОВ, заполненной гидрофобным компаундом по всей длине, с одним или двумя слоями стальных и(или) алюминиевых проволок; С (S) — исполнение с центральным силовым элементом из стальной проволоки, вокруг которого скручены стальные и(или) алюминиевые проволоки и(или) стальные трубки, с уложенными внутри ОВ и заполненные гидрофобным компаундом по всей длине, с одним или двумя повивами стальных и(или) стальных и алюминиевых проволок. | ||||||
| Марка кабеля: ОКГТ (OPGW)* – оптический кабель, встроенный в грозотрос. * — в скобках приведены обозначения для маркообразования латиницей. | ||||||
Классификация волоконно-оптических кабелей
Волоконно-оптические кабели связи отличаются по конструктивным особенностям и по области применения.
Подходы к классификации волоконно-оптических кабелей:
| По типу оптических волокон: | |||||||
| с одномодовыми волокнами | с многомодовыми волокнами | комбинированный | |||||
| По типу центрального силового элемента: | |||||||
| со стальным тросом | с пластиковым тросом | с центральной трубкой | |||||
| По типу буфера в модулях: | |||||||
| с плотным буфером | со свободным буфером | ||||||
| небронированный | с кевларовыми нитями | с бронированной стальной лентой | с бронированный проволокой | ||||
| По типу влагозащиты: | |||||||
| с гидрофобным заполнителем | с водоотталкивающей и водопоглощающей нитью или бумагой | ||||||
| По наличию встроенного троса: | |||||||
| со встроенным несущим тросом | без встроенного несущего троса | ||||||
| По величине допустимого растягивающего усилия, кН: | |||||||
| 2,7 | 4 | 6 | 8 | 9 | 10 | 12 | 24-78 |
| По диапазону температуры эксплуатации, (°С): | |||||||
| от –12 до +75 | от –20 до +60 | от –40 до +60 | от –60 до +60 | от –60 до +70 | |||
| По огнестойкости оболочки: | |||||||
| с горючей оболочкой; | с негорючей оболочкой | ||||||
Согласно «Правилам применения оптических кабелей связи, пассивных оптических устройств и устройств для сварки оптических волокон», утвержденных Приказом Мининформсвязи, оптические кабели (ОК) делятся на:
- ОК внутренней прокладки (для прокладки внутри зданий и сооружений);
ОК наружной прокладки (для прокладки вне зданий и сооружений), которые в зависимости от области применения подразделяются на следующие типы:
- подземные
- подвесные (воздушной прокладки)
- подводные
По своему назначению волоконно-оптические кабели могут быть разделены на три группы:
- магистральные ВОК предназначены для передачи данных на дальние расстояния и по большому количеству каналов. Они должны обладать высокой пропускной способностью, малыми затуханием и дисперсией. В них используется одномодовое волокно с размерами 8/125 мкм (сердцевина/оболочка). Длина волны — 1,3–1,55 мкм;
- зоновые ВОК служат для организации многоканальной связи между областным центром и районами с дальностью связи до 250 км. В них используются градиентные волокна с размерами 50/125 мкм. Длина волны — 1,3 мкм;
- городские ВОК применяются в качестве соединительных линий между городскими АТС и узлами связи. Они рассчитаны на передачу данных на короткие расстояния (до 10 км) и по большому количеству каналов. В них используются градиентные волокна с размерами 50/125 мкм. Длины волн — 0,85 и 1,3 мкм. Эти линии, как правило, работают без промежуточных линейных регенераторов.
В отдельные группы выделяются подводные, объектовые и монтажные ВОК:
- подводные ВОК предназначаются для осуществления связи через большие водные преграды. Они должны обладать высокой механической прочностью на разрыв и иметь надежное влагостойкое покрытие, малое затухание и большую протяженность регенерационных участков;
- объектовые ВОК служат для передачи информации внутри объекта. Сюда относятся учрежденческая и видеотелефонная связь, внутренняя сеть кабельного телевидения, а также бортовые информационные системы подвижных объектов;
- монтажные ВОК используются для внутри- и межблочного монтажа аппаратуры. Они выполняются в виде жгутов или плоских лент.
Требования к волоконно-оптическим кабелям
Требования к минимально необходимой механической прочности оптических кабелей приведены в таблице ниже. При этом кабели должны допускать кратковременные усилия растяжения, превышающие допустимые на 15%.
Требования к механической прочности оптических кабелей:
| Назначение оптического кабеля | Допустимое усилие растяжения, не менее, кН | Усилие раздавливания, не менее, кН/100 мм | Энергия удара, не менее, Дж |
| ОК наружной прокладки | |||
| Подземные ОК: — для прокладки в защитные пластмассовые трубы — для прокладки в кабельной канализации — для прокладки в коллекторах и тоннелях — для прокладки по мостам и эстакадам — для прокладки в грунты 1–3 групп — для прокладки в грунты 4–5 групп — для прокладки в скальные грунты и грунты,подверженные мерзлотным деформациям — для прокладки через болота глубиной до 2 м — для прокладки через болота глубиной более 2 м | 1,0 1,5 1,5 2,5 2,5 7,0 20 7,0 20 | 3,0 3,0 3,0 3,0 4,0 7,0 10 4,0 10 | 5,0 5,0 5,0 5,0 10 10 10 20 20 |
| Подвесные ОК: — навивные, присоединяемые и прикрепляемые — самонесущие для подвески на опорах воздушных линий связи (ВЛС), опорах контактной сети и высоковольтной автоблокировки железных дорог, на опорах воздушных линий электропередачи (ЛЭП) — встроенные в грозозащитный трос | 1,0 3,0 7,0 | 3,0 3,0 10 | 5,0 5,0 10 |
| Подводные ОК: — для прокладки на переходах через водные преграды — для прокладки на морских глубоководных участках — для прокладки на морских прибрежных участках | 20 25 50 | 10 10 15 | 20 10 20 |
| ОК внутренней прокладки | |||
| — для прокладки внутри зданий и сооружений — монтажные | 1,0 0,05 | 2,0 0,5 | 3,0 1,0 |
Все типы кабелей должны быть устойчивы к монтажным и эксплуатационным изгибам и кручениям, согласно приведенной таблице.
Требования к устойчивости оптических кабелей от изгиба и кручения:
| Наименование параметра | Воздействие |
| Устойчивость к статическим изгибам | 20 циклов изгибов на угол ±90º с радиусом не более 20-ти кратного внешнего диаметра при нормальной температуре окружающей среды и при температуре окружающей среды –10 ºС. |
| Устойчивость к осевому кручению | 10 циклов осевого кручения на угол ±360º на длине не более 4 м |
| Устойчивость к вибрации | Диапазон частот 10–200 Гц, ускорение 4 g |
| Устойчивость к эоловой вибрации и галопированию (для ОК, подвешиваемых на опорах ЛЭП напряжением ≥ 110 кВ) | Частота колебаний около (830/диаметр ОК в мм ±10) Гц и соответствует ближайшей резонансной частоте. Количество циклов колебаний 108 |
Для обеспечения надежной эксплуатации оптические кабели должны быть устойчивы к воздействию пониженной и повышенной температур рабочей среды, а также к циклической смене температур.
Оптические кабели для наружной прокладки должны быть устойчивы к воздействию ультрафиолетового излучения и коррозионных сред и иметь защиту от продольного распространения воды. Водоблокирующие материалы, применяемые в конструкции оптического кабеля, должны быть совместимы с другими материалами конструкции, не оказывать влияния на оптические волокна, легко удаляться при монтаже, не вызывать коррозию конструктивных элементов. Гидрофобные заполнители, используемые в оптических кабелях, не должны иметь каплепадения при температуре 70 °С.
Оптические кабели, предназначенные для прокладки в коллекторах и тоннелях, а также для внутренней прокладки, должны иметь оболочки, выполненные из материалов, не распространяющих горение.
Все типы оптических кабелей должны допускать прокладку и монтаж при температуре от -10 °С до +40 °С.
Одномодовое и многомодовое волокно
Волоконно-оптические кабели связи изготавливают с одномодовыми или многомодовыми кварцевыми волокнами, заключенными в модули или металлическую трубку с гидрофобным заполнителем, центральным силовым элементом, с броней из стальных гофрированных лент, проволок, или стеклопластиковых прутков, с внешней оболочкой из полимерных материалов, вынесенным стальным тросом для подвески на опорах или без него.
Основным элементом волоконно-оптического кабеля является световод — тонкое волокно цилиндрической формы из кварцевого стекла, по которому передаётся электромагнитное излучение видимого или ближнего инфракрасного диапазона длин волн.
Сердцевина оптического волокна с высоким коэффициентом преломления окружена оболочкой с более низким коэффициентом преломления. За счет этой разницы основной световой поток (волна или мода) остается внутри сердцевины (явление полного внутреннего отражения). Существует два типа оптических волокон: одномодовое и многомодовое.
Одномодовое волокно
Обычно диаметр сердцевины составляет 8 микрон, и по волокну распространяется только одна мода. Это устраняет межмодовую дисперсию, но полоса пропускания ограничивается явлениями второго порядка, такими как внутримодовая дисперсия. Комбинация огромной пропускной способности и низкого затухания делает одномодовое волокно наиболее предпочтительным для использования в большинстве телекоммуникационных систем. Однако необходимость применения лазеров, излучающих лучи света с малыми численными апертурами (диаметрами) для эффективного ввода в волокно, до сих пор ограничивает использование этого волокна в локальных сетях из-за высокой стоимости этих приборов.
Многомодовое волокно
Многомодовое волокно имеет больший диаметр сердцевины (обычно 50 или 62,5 микрон) и позволяет передавать одновременно много мод. У современного градиентного многомодового волокна сложная оптическая сердцевина сконструирована так, что коэффициент преломления изменяется заданным образом — от высокого у центральной оси до низкого на внешней стороне сердцевины. Оно чаще используется в локальных сетях и внутри зданий, так как больший диаметр сердцевины упрощает процесс оконцовки волокна. Кроме того в многомодовом волокне в качестве источников света можно использовать светодиоды, имеющие большие численные апертуры.
Следует отметить, что полоса пропускания многомодового волокна ограничена дисперсией, которая возникает из-за нескольких факторов. При этом ширина импульса цифрового сигнала по мере прохождения по волокну возрастает.
Размеры и характеристики оптических волокон, применяемых в электросвязи, должны соответствовать Рекомендациям МСЭ-Т:
- G.651 (многомодовые градиентные волокна 50/125 мкм);
- G.652 (одномодовые волокна);
- G.653 (одномодовые волокна со сдвигом дисперсии);
- G.654 (одномодовые волокна с затуханием, минимизированным на волне 1550 нм);
- G.655 (одномодовые волокна со смещенной ненулевой дисперсией, в том числе с малым наклоном кривой дисперсии, с большой эффективной площадью поля моды).
Современные технологии производства оптических кабелей позволяют сохранить оптические параметры в кабеле практически на уровне параметров исходного волокна. Так как в производстве используется волокно ведущих зарубежных производителей, то параметры волокон в кабелях не сильно отличаются от производителя к производителю. Рассмотрим нормированные значения показателей оптических волокон.
Параметры одномодовых оптических волокон:
| Параметр | Стандартные одномодовые | Одномодовые со смещенной дисперсией |
| Коэффициент затухания на длине волны 1310 нм, дБ/км, не более: | 0,36 | – |
| Коэффициент затухания на длине волны 1550 нм, дБ/км, не более: | 0,22 | 0,22 |
| Диаметр модового поля на длине волны 1310 нм, мкм: | 9,3±0,5 | – |
| Диаметр модового поля на длине волны 1550 нм, мкм: | 10,5±1,0 | 8,1±0,65 |
| Неконцентричность модового поля, мкм, не более: | 0,8 | 0,8 |
| Длина волны нулевой дисперсии: | 1270 | 1270 |
| Коэффициент хроматической дисперсии в диапазоне длин волн 1285-1330 нм, пс/нм, не более: | 3,5 | – |
| Коэффициент хроматической дисперсии в диапазоне длин волн 1525-1575 нм, пс/нм, не более: | 18 | 3,5 |
| Наклон дисперсионной характеристики в области длин волны нулевой дисперсии, пс/км· нм2, не более: | 0,093 | 0,085 |
Параметры многомодовых волокон:
| Параметр | Многомодовое градиентное ОВ с диаметром сердцевины 50 мкм | Многомодовое градиентное ОВ с диаметром сердцевины 62,5 мкм |
| Числовая апертура | 0,18. 0,24 | 0,25. 0,31 |
| Коэффициент широкополосности на длине волны 850 нм, не менее, МГц*км | 400 | 160 |
| Коэффициент широкополосности на длине волны 1300 нм, не менее, МГц*км | 500 | 400 |
| Коэффициент затухания на длине волны 850 нм, не более, дБ/км | 3,2 | 3,2 |
| Коэффициент затухания на длине волны 1300 нм, не более, дБ/км | 0,7 | 0,7 |
Конструктивные параметры волокон:
| Параметр | Размерность | Тип ОВ | |||
| Одномодовое | Одномодовое со смещенной дисперсией | Многомодовое 50 мкм | Многомодовое 62,5 мкм | ||
| Диаметр сердцевины | мкм | – | – | 50±3 | 62,5±3 |
| Неконцентричность сердцевины | мкм | – | – | 2 | 3 |
| Диаметр оболочки | мкм | 125±1 | 125±1 | 125±1 | 125±1 |
| Некруглость оболочки, не более | % | 2 | 2 | 2 | 2 |
| Диаметр защитного покрытия | мкм | 250±15 | 250±15 | 250±15 | 250±15 |
Преимущества волоконно-оптических кабелей
Передача информации по ВОЛС имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю. Стремительное внедрение в информационные сети ВОЛС является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне:
- широкая полоса пропускания, обусловлена чрезвычайно высокой частотой, несущей 1014 Гц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания — это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации.
- малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями про мышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2–0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более.
- низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с малой избыточностью кода;
- высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т. д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.
- малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см, может быть заменен одним волокном с диаметром 0,1 см. Если волокно «одеть» в множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого ВОК будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.
- высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оптической линии связи, используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить «взламываемый» канал связи и подать сигнал тревоги. Сенсорные системы, использующие интерференционные эффекты распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации) имеют очень высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления. Такие системы особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.
- гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать электрических «земельных» петель, которые могут возникать, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным кабелем, имеют заземления в разных точках здания, например на разных этажах. При этом может возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое оборудование. Для волокна этой проблемы просто нет.
- взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.
- экономичность ВОК. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а по тому недорогого материала, в отличии от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. При этом ВОК позволяет передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при использовании ВОК. При использовании солитонных систем передачи достигнуты дальности в 4000 км без регенерации (то есть только с использованием оптических усилителей на промежуточных узлах) при скорости передачи выше 10 Гбит/с.
- длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что затухание в проложенном кабеле по степенно возрастает. Однако, благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо-передающих систем.
- удаленное электропитание. В некоторых случаях требуется удаленное электропитание узла информационной сети. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля. Однако, в этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медным проводящим элементом. Такой кабель широко используется как в России, так и за рубежом.
Названия марок у производителей
На сегодняшний день в Российской Федерации нет единой системы обозначения марок оптических кабелей и практически каждый производитель выпускает их в соответствии с собственными техническими условиями, которые предусматривают свою систему маркировки и некоторое различие в параметрах. Как видно в таблице, приведенной ниже, большинство различий в конструкциях и параметрах кабелей носят непринципиальный характер, однако могут оказаться и существенными для конкретных условий эксплуатации. Данная таблица должна помочь потребителям оптических кабелей сориентироваться в таком широком ассортименте кабелей, мы постарались провести некоторые параллели в продукции основных производителей оптических кабелей на российском рынке. Ниже приведены категории конструкций, наиболее востребованных на сегодня на отечественном рынке.
Таблица сравнительных характеристик различных марок волоконно-оптических кабелей связи:
Источник
