Сети с использованием оптоволоконного кабеля

ЛВС на базе оптического волокна

Оптический световод (волокно) – канал из прозрачного материала, обеспечивающий передачу излучения на большие расстояния за счет явления полного внутреннего отражения.

Явление полного внутреннего отражения имеет место тогда, когда луч, распространяющийся в оптически более плотной среде (на рисунке показана синим цветом), подходит к границе раздела с оптически менее плотной средой (на рисунке показана голубым цветом) под пологим углом. Поскольку в оптике углы принято отсчитывать от нормали, то угол θ должен превышать критический угол α_c, по возможности приближаясь к 90º. В этом случае луч отразится обратно в оптически более плотную среду – граница раздела сред для него будет непроницаема. Отражение произойдет под таким же углом θ, что и падение, но главное – в таких условиях отражение произойдет полностью, без потерь. На рисунке такой луч показан зеленым цветом.

Оптически менее плотная среда

Оптически более плотная среда

Если угол падения φ₁ будет меньше критического угла α_c (красный луч), то на границе часть излучения претерпит преломление и покинет пределы оптически более плотной среды (угол выхода будет другим – φ₂, поскольку показатели преломления сред отличаются друг от друга), другая же составляющая красного луча претерпит отражение и вернется в исходную среду, однако с существенной потерей мощности.

Для передачи сигналов на большое расстояние в оптических световодах реализуется полное внутреннее отражение. Для этого достаточно, чтобы разница в показателях преломления составляла сотые или тысячные доли единицы, а лучи подходили к границе раздела сред по пологой траектории. Оптически более плотная среда – центральная часть волокна, ядро (сердечник). Чтобы сигнал чрезмерно не затухал из-за прохождения через толщу вещества, необходимо, чтобы материал ядра был прозрачен и вызывал как можно меньшее рассеяние излучения. В передаче данных для этой цели используется кварцевое стекло – один из наиболее прозрачных и одновременно стабильных материалов, обладающих приемлемыми механическими характеристиками и ценой.

Для организации границы раздела ядро обрамляется оптически менее плотной средой. Англоязычное название этого элемента световода – cladding; в отечественной литературе его называют оболочкой, однако это создает путаницу с другими оболочками, поэтому лучше использовать термин «демпфер». Задача демпфера – создать границу раздела сред, сам он не предназначен для распространения излучения. В принципе, было бы достаточно слоя демпфера толщиной в несколько микрон, однако механические свойства кварцевого стекла (его склонность к образованию микротрещин при вытягивании из заготовки) и соображения удобства монтажа привели к тому, что демпфер имеет внешний диаметр 125 мкм.

1. ядро (сердечник)

Примечание: совокупность ядра и демпфера образуют световод – минимальную и неразборную конструктивную единицу, обеспечивающую реализацию полного внутреннего отражения.

3. первичное защитное покрытие световода (как правило, акрилат), необходимое для механической защиты

4. буфер, выполняющий функции дополнительной механической защиты волокна и цветовой идентификации.

На сегодняшний день среди прежнего многообразия оптических кабелей на рынке остались одномодовые волокна с диаметром ядра 8-9 мкм и многомодовые волокна с диаметром ядра 62.5 мкм или 50 мкм. Волокно 62.5 мкм постепенно выходит из использования, поскольку поддерживает 1-гигабитные приложения только на короткие расстояния и уступает по характеристикам волокну 50 мкм. В зависимости от производительности многомодовые волокна делятся на классы OM1-OM4, одномодовые – на классы OS1-OS2; это подробно описано в статье «Одномодовый и многомодовый волоконно-оптический кабель: отличия и правила выбора». Чем выше класс волокна, тем более требовательные приложения оно способно поддерживать.

Поддержка приложений Ethernet многомодовыми волокнами

Мин. кол-во волокон

Гарантированное расстояние поддержки
приложения в многомодовых системах, м

Поддержка приложений Ethernet одномодовыми волокнами

Мин. кол-во волокон

Гарантированное расстояние поддержки
приложения в одномодовых системах, км

* Сегменты длиннее 30 км (изначально указанной в стандартах цифры) требуют дополнительной инженерной проработки согласно материалам IEEE 802.3.

Ядро и демпфер отличаются составом – к ядру добавляется присадка, незначительно увеличивающая показатель преломления. Материал, из которого изготовлено ядро, дороже материала демпфера, в результате многомодовые волокна стоят дороже одномодовых, несмотря на то, что последние требуют большей точности при изготовлении. Однако активное оборудование для работы по многомодовому волокну существенно дешевле оборудования для одномода (это касается и светодиодных источников LED в старом оборудовании, и лазеров поверхностного излучения VCSEL в гигабитных системах – все они дешевле лазеров Фабри-Перо, применяемых в одномоде). Поэтому основной критерий для выбора типа волокна – не цена кабеля, а соотношение производительности приложений и расстояния, на котором гарантируется их работа. Данные, приведенные в таблицах выше, служат основой для выбора типа оптики под конкретные приложения.

Волокна из кварцевого стекла довольно хрупкие. После изготовления световода его покрывают как минимум одним слоем защитного покрытия. Как правило, поверх него идет второй защитный слой – буфер, одновременно используемый для цветовой идентификации волокон. Используется 12 базовых цветов: синий, оранжевый, зеленый, коричневый, серый, белый, красный, черный, желтый, фиолетовый, розовый и бирюзовый. Первые десять цветов списка заимствованы из цветовой раскладки 25-парного кабеля. Цвета и их порядок заданы стандартами по принципу контрастности, чтобы монтажникам было проще визуально отличать проводники/волокна друг от друга.

При многократных перегибах, особенно если радиус изгиба мал, микротрещины в волокне разрастаются, приводя к ухудшению параметров передачи. Закономерны попытки найти более прочные и стойкие к изгибам материалы, однако пока не удалось найти какое-нибудь соединение с прозрачностью, затуханием и другими свойствами, приближающимися к параметрам кварцевого стекла. Эксперименты по изготовлению и использованию пластиковых волокон показали, что затухание в них для передачи данных недопустимо велико – оно на порядки больше, чем у кварца. Температурная стойкость и выносливость к многократным изгибам пластика представляют интерес, однако пока его область применения ограничивается медициной, рекламными конструкциями, автомобиле- и самолетостроением, областями, где к качеству сигнала нет строгих требований, а расстояние не превышает нескольких метров. Совершенствуется технология изготовления волокон с кварцевой сердцевиной и пластиковым демпфером. Возможно, в перспективе такие решения найдут свое применение в телекоммуникациях.

На сегодня же все волокна для передачи данных делаются только из кварцевого стекла. Крупных мировых производителей немного: Corning, Draka, Fujikura, Sumitomo. И хотя применяемые ими технологические процессы имеют определенные особенности, в целом можно считать, что параметры волокон определенного класса идентичны друг другу и не зависят от конкретного изготовителя. Это объясняется тем, что характеристики волокон жестко регламентируются требованиями стандартов, которым обязаны следовать все изготовители.

Источник

Оптоволоконные кабели связи. Как это делается

В нескольких своих постах, опубликованных более года назад, я поднял такую интересную для многих и чем-то захватывающую тему, как магистральные оптоволоконные кабели связи, в частности, тему «подводной» оптики. Информация в данных публикациях была неполной, торопливой и разрозненной, так как статьи писались «на коленке» во время обеденного перерыва. Сейчас я бы хотел поделиться структурированным и, насколько это возможно, полным материалом по теме оптики, с максимумом вкусных подробностей и гик-порно, от которых на душе любого технаря станет тепло.

Внутри схемы, гифки, таблицы и много интересного текста.

Условная классификация

В отличие от всем нам знакомой витой пары, которая вне зависимости от места применения имеет примерно одну и ту же конструкцию, оптоволоконные кабели связи могут иметь значительные отличия исходя из сферы применения и места укладки.

Можно выделить следующие основные виды оптоволоконных кабелей для передачи данных исходя из области применения:

• Для прокладки внутри зданий;
• для кабельной канализации небронированный;
• для кабельной канализации бронированный;
• для укладки в грунт;
• подвесной самонесущий;
• с тросом;
• подводный.

Наиболее простой конструкцией обладают кабели для прокладки внутри зданий и канализационный небронированный, а самыми сложными — для прокладки в землю и подводные.

Кабель для прокладки внутри зданий

Оптические кабели для прокладки внутри зданий разделяют на распределительные, из которых формируется сеть в целом, и абонентские, которые используются непосредственно для прокладки по помещению к конечному потребителю. Как и витую пару, прокладывают оптику в кабельных лотках, кабель-каналах, а некоторые марки могут быть протянуты и по внешним фасадам зданий. Обычно такой кабель заводят до межэтажной распределительной коробки или непосредственно до места подключения абонента.

Конструкция оптоволоконных кабелей для прокладки в зданиях включает в себя оптическое волокно, защитное покрытие и центральный силовой элемент, например, пучок арамидных нитей. К оптике, прокладываемой в помещениях, есть особые требования по противопожарной безопасности, такие как нераспространение горения и низкое дымовыделение, поэтому в качестве оболочки для них используется не полиэтилен, а полиуретан. Другие требования — это низкая масса кабеля, гибкость и небольшой размер. По этой причине многие модели имеют облегченную конструкцию, иногда с дополнительной защитой от влаги. Так как протяженность оптики внутри зданий обычно невелика, то и затухание сигнала незначительно и влияние на передачу данных оно не оказывает. Число оптических волокон в таких кабелях не превышает двенадцати.

Также существует и своеобразная помесь «бульдога с носорогом» — оптоволоконный кабель, который содержит в себе, дополнительно, еще и витую пару.

Небронированный канализационный кабель

Небронированная оптика используется для укладки в канализации, при условии, что на нее не будет внешних механических воздействий. Также подобный кабель прокладывается в тоннелях, коллекторах и зданиях. Но даже в случаях отсутствия внешнего воздействия на кабель в канализации, его могут укладывать в защитные полиэтиленовые трубы, а монтаж производится либо вручную, либо при помощи специальной лебедки. Характерной особенностью данного типа оптоволоконного кабеля можно назвать наличие гидрофобного наполнителя (компаунда), который гарантирует возможность эксплуатации в условиях канализации и дает некоторую защиту от влаги.

Бронированный канализационный кабель

Бронированные оптоволоконные кабели используются при наличии больших внешних нагрузок, в особенности, на растяжение. Бронирование может быть различным, ленточным или проволочным, последнее подразделяется на одно- и двухповивное. Кабели с ленточным бронированием используются в менее агрессивных условиях, например, при прокладке в кабельной канализации, трубах, тоннелях, на мостах. Ленточное бронирование представляет собой стальную гладкую или гофрированную трубку толщиной в 0,15-0,25 мм. Гофрирование, при условии, что это единственный слой защиты кабеля, является предпочтительным, так как оберегает оптоволокно от грызунов и в целом повышает гибкость кабеля. При более суровых условиях эксплуатации, например, при закладке в грунт или на дно рек используются кабели с проволочной броней.

Кабель для укладки в грунт

Для прокладки в грунт используют оптические кабели с проволочной одноповивной или двухповивиной броней. Также применяются и усиленные кабели с ленточным бронированием, но значительно реже. Прокладка оптического кабеля осуществляется в траншею или с помощью кабелеукладчиков. Более подробно этот процесс расписан в моей второй статье по этой теме, где приводятся примеры наиболее распространенных видов кабелеукладчиков. Если температура окружающей среды ниже отметки в -10 о С, кабель предварительно прогревают.

В условиях влажного грунта используется модель кабеля, оптоволоконная часть которого заключена в герметичную металлическую трубку, а бронеповивы проволоки пропитаны специальным водоотталкивающим компаундом. Тут же в дело вступают расчеты: инженеры, работающие на укладке кабеля, не должны допускать превышения растягивающих и сдавливающих нагрузок сверх допустимых. В противном случае, сразу или со временем, могут быть повреждены оптические волокна, что приведет кабель в негодность.

Броня влияет и на значение допустимого усилия на растяжение. Оптоволоконные кабели с двухповивной броней могут выдержать усилие от 80 кН, одноповивные — от 7 до 20 кН, а ленточная броня гарантирует «выживание» кабеля при нагрузке не менее 2,7 кН.

Подвесной самонесущий кабель

Подвесные самонесущие кабели монтируются на уже существующих опорах воздушных линий связи и высоковольтных ЛЭП. Это технологически проще, чем прокладка кабеля в грунт, но при монтаже существует серьезное ограничение — температура окружающей среды во время работ не должна быть ниже — 15 о С. Подвесные самонесущие кабели имеют стандартную круглую форму, благодаря которой снижаются ветровые нагрузки на конструкцию, а расстояние пролета между опорами может достигать ста и более метров. В конструкции самонесущих подвесных оптических кабелей обязательно присутствует ЦСЭ — центральный силовой элемент, изготовленный из стеклопластика или арамидных нитей. Благодаря последним оптоволоконный кабель выдерживает высокие продольные нагрузки. Подвесные самонесущие кабели с арамидным нитями используют в пролетах до одного километра. Еще одно преимущество арамидных нитей, кроме их прочности и малом весе, заключается в том, что арамид по природе своей является диэлектриком, то есть кабели, изготовленные на его основе безопасны, например, при попадании молнии.

В зависимости от строения сердечника различают несколько типов подвесного кабеля:

• Кабель с профилированным сердечником — содержит оптические волокна или модули с этими волокнами – кабель устойчив к растяжению и сдавливанию;
• Кабель со скрученными модулями — содержит оптические волокна, свободно уложенные, кабель устойчив к растяжениям;
• Кабель с одним оптическим модулем – сердечник данного типа кабеля не имеет силовых элементов, поскольку они находятся в оболочке. Такие кабели обладают недостатком, связанным с неудобством идентификации волокон. Тем не менее, они обладают меньшим диаметром и более доступной ценой.

Оптический кабель с тросом

Оптические кабеля с тросом — это разновидность самонесущих кабелей, которые также используются для воздушной прокладки. В таком изделии трос может быть несущим и навивным. Еще существуют модели, в которых оптика встроена в грозозащитный трос.

Усиление оптического кабеля тросом (профилированным сердечником) считается достаточно эффективным методом. Сам трос представляет собой стальную проволоку, заключенную в отдельную оболочку, которая в свою очередь соединяется с оболочкой кабеля. Свободное пространство между ними заполняется гидрофобным заполнителем. Часто такую конструкцию оптического кабеля с тросом называют «восьмеркой» из-за внешнего сходства, хотя лично у меня возникают ассоциации с перекормленной «лапшой». «Восьмерки» применяют для прокладки воздушных линий связи с пролетом не более 50-70 метров. В эксплуатации подобных кабелей есть некоторые ограничения, например, «восьмерку» со стальным тросом нельзя подвешивать на ЛЭП. Надеюсь, объяснять, почему именно, не нужно.

Но кабели с навивным грозозащитным тросом (грозотросом) спокойно монтируются на высоковольтных ЛЭП, крепясь при этом к проводу заземления. Грозотросный кабель используется в местах, где есть риски повреждения оптики дикими животными или охотниками. Также его можно использовать на больших по дистанции пролетах, чем обычную «восьмерку».

Подводный оптический кабель

Данный тип оптических кабелей стоит в сторонке от всех остальных, так как прокладывается в принципиально иных условиях. Почти все типы подводных кабелей, так или иначе, бронированы, а степень бронирования уже зависит от рельефа дна и глубины залегания.

Различают следующие основные типы подводных кабелей (по типу бронирования):

• Не бронирован;
• Одинарное (одноповивное) бронирование;
• Усиленное (одноповивное) бронирование;
• Усиленное скальное (двухповивное) бронирование;

Подробно конструкцию подводного кабеля я рассматривал больше года назад вот в этой статье, поэтому тут приведу только краткую информацию с рисунком:

1. Полиэтиленовая изоляция.
2. Майларовое покрытие.
3. Двухповивное бронирование стальной проволокой.
4. Алюминиевая гидроизоляционная трубка.
5. Поликарбонат.
6. Центральная медная или алюминиевая трубка.
7. Внутримодульный гидрофобный заполнитель.
8. Оптические волокна.

Как не парадоксально, прямой корреляции бронирования кабеля с глубиной залегания нет, так как армирование защищает оптику не от высоких давлений на глубине, а от деятельности морских обитателей, а также сетей, тралов и якорей рыболовецких судов. Корреляция эта, скорее, обратная — чем ближе к поверхности, тем больше тревог, что явно видно по таблице ниже:

Таблица типов и характеристик подводных кабелей в зависимости от глубины укладки

Производство

Теперь, когда мы познакомились с наиболее распространенными видами оптоволоконных кабелей, можно проговорить и о производственном процессе всего этого зоопарка. Все мы знаем об оптоволоконных кабелях, многие из нас имели с ними дело лично (как абоненты и как монтажники), но как становится ясно из информации выше, оптоволоконные, в особенности магистральные, кабели могут серьезно отличаться от того, с чем вы имели дело в помещении.

Так как для прокладки оптоволоконной магистрали требуются тысячи километров кабеля, их производством занимаются целые заводы.

Изготовление оптоволоконной нити

Все начинается с производства главного элемента — оптоволоконной нити. Производят это чудо на специализированных предприятиях. Одной из технологий производства оптической нити является ее вертикальная вытяжка. А происходит это следующим образом:

• На высоте в несколько десятков метров в специальной шахте устанавливается два резервуара: один со стеклом, второй, ниже по шахте, со специальным полимерным материалом первичного покрытия.
• Из узла прецизионной подачи заготовки или, проще говоря, первого резервуара с жидким стеклом, вытягивается стеклянная нить.
• Ниже нить проходит через датчик диаметра волоконного световода, который отвечает за контроль диаметра изделия.
• После контроля качества нить обволакивается первичным полимерным покрытием из второго резервуара.
• Пройдя процедуру покрытия, нить отправляется в еще одну печь, в которой полимер закрепляется.
• Нить оптоволокна протягивается еще N-метров, в зависимости от технологии, охлаждается и поступает на прецизионный намотчик, проще говоря, наматывается на бобину, которая уже и транспортируется как заготовка к месту производства кабеля.

Наиболее распространены следующие размеры оптоволоконного кабеля:

• C сердечником 8,3 мк и оболочкой 125 мкм;
• C сердечником 62,5 мк и оболочкой 125 мкм;
• C сердечником 50 мк и оболочкой 125 мкм;
• C сердечником 100 мк и оболочкой 145 мкм.

Оптику с диаметром сердечника в 8,3 мк качественно спаять в полевых условиях, без высокоточного оборудования или установки концентраторов, непросто или практически невозможно.

Огромное значение имеет контроль диаметра световода. Именно эта часть установки отвечает за один из главных параметров на всех этапах производства нити — неизменность диаметра конечного изделия (стандарт — 125 мкм). Из-за сложностей при сварке нитей любых диаметров, их стремятся сделать настолько длинными, насколько это возможно. Погонный метраж оптоволоконной «заготовки» на бобине может достигать десятков километров (да, именно километров) и более, в зависимости от требований заказчика.

Уже на самом предприятии, хотя это можно сделать и на стекольном заводе, все зависит от производственного цикла, бесцветную нить с полимерным покрытием для удобства могут перемотать на другую бобину, в процессе окрашивая ее в собственный яркий цвет, по аналогии со всем знакомой витой парой. Зачем? Во славу сата.. для быстрого различения каналов при, например, ремонте или сварке кабеля.

Изготовление кабеля

Теперь мы получили сердце нашего изделия — оптоволоконную нить. Что дальше? Дальше давайте посмотрим на схему такого себе среднестатистического подводного (да, мне они нравятся больше всего) кабеля в разрезе:

На заводе полученные оптические нити запускаются в станки, в совокупности своей образующие целый конвейер по производству какого-то одного типа кабеля. На первом этапе производства небронированных моделей, нити сплетаются в пучки, которые и составляют, в итоге, «оптический сердечник». Количество нитей в кабеле может быть различным, в зависимости от заявленной пропускной способности. Пучки, в свою очередь, сматывают в «тросс» на специальном оборудовании, которое, в зависимости от своей конструкции и назначения. Это оборудование может еще и покрывать полученный «тросс» гидроизолирующим материалом, чтобы предотвратить попадание влаги и потускнения оптики в будущем (на схеме обозван «внутримодульным гидрофобным заполнителем»).

Вот так проходит процесс скрутки собранных вместе пучков в трос на пермском заводе оптоволоконных кабелей:

После того, как в «тросс» было собрано необходимое количество пучков оптоволокна, их заливают полимером или укладывают в металлическую или медную трубку. Тут, на первый взгляд, кажется, что подводных камней нет и быть не может, но так как производитель стремится минимизировать количество соединений и швов, то все получается не совсем просто. Рассмотрим один конкретный пример.

Для создания трубки-корпуса, представленной на схеме выше как «центральная трубка», может использоваться огромная по длине лента из необходимого нам материала (сталь, либо же медь). Лента используется, чтобы не маяться со всем знакомым нам и очевидным прокатом, и сваркой по всей окружности стыка. Согласитесь, тогда у кабеля было бы слишком много «слабых» мест в конструкции.

Так вот. Металлическая ленточная заготовка проходит через специальный станок, натягивающий ее и имеющий с десяток-другой валиков, которые идеально ее выравнивают. После того, как лента выровнена, она подается на другой станок, где встречается с нашим пучком оптоволоконных нитей. Автомат на конвейере загибает ленту вокруг натянутого оптоволокна, создавая идеальную по форме трубку.

Вся эта, пока еще хрупкая, конструкция протягивается по конвейеру дальше, к электросварочному аппарату высокой точности, который на огромной скорости проводит сварку краев ленты, превращая ее в монолитную трубку, в которую уже заложен оптоволоконный кабель. В зависимости от тех. процесса, все это дело может заливаться гидрофобным заполнителем. Или не заливаться, тут уже все зависит от модели кабеля.

В целом, с производством все стало более-менее понятно. Различные марки оптоволоконного, в первую очередь, магистрального кабеля, могут иметь некоторые конструкционные отличия, например, по количеству жил. Тут инженеры не стали выдумывать велосипед и просто объединяют несколько кабелей поменьше в один большой, то есть такой магистральный кабель будет иметь не один, а, например, пять трубок с оптоволокном внутри, которые, в свою очередь, все также заливаются полиэтиленовой изоляцией и, при необходимости, армируются. Такие кабели называют многомодульными.

Одна из моделей многомодульного кабеля в разрезе

Многомодульные кабели, которые, в основной своей массе, и используются для протяженных магистралей, имеют еще одну обязательную конструктивную особенность в виде сердечника, или как его еще называют — центрального силового элемента. ЦСЭ используется как «каркас», вокруг которого группируют трубки с жилами оптоволокна.

К слову, пермский завод «Инкаб», производственный процесс которого представлен на гифках выше, со своими объемами до 4,5 тыс. километров кабеля в год — карлик, по сравнению с заводом того же инфраструктурного гиганта Alcatel, который может выдавать несколько тысяч километров оптоволоконного кабеля одним куском, который сразу же грузится на судно-кабелеукладчик.

Стальная трубка — это наименее радикальный вариант бронирования оптики. Для неагрессивных условий эксплуатации и монтажа часто применяют обычный изолирующий полиэтилен. Однако, это не отменяет того факта, что после изготовления такого кабеля его могут «обернуть» в бронирующую намотку из алюминиевой или стальной проволоки или тросов.

Бронирование кабеля с полиэтиленовой изоляцией на том же пермском заводе

Вывод

Как можно понять из материала выше, основным отличие различных видов оптоволоконного кабеля является их «обмотка», то есть то, во что упаковываются хрупкие стеклянные нити в зависимости от области применения и среды, в которой будет проводиться кабелеукладка.

Если вам понравился данный материал, то можете смело задавать вопросы в комментариях, опираясь на которые я постараюсь подготовить еще статью по этой теме.

Источник