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.

Источник

Устройство оптоволоконного кабеля

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

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

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

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

Что такое оптоволокно?

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

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

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

Принцип работы

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

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

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

Виды оптических кабелей

Всего есть два вида:

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

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

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

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

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

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

Из чего изготавливается?

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

• Кварцевое стекло
• Пластик
• Полимерные материалы

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

Строение оптоволоконного кабеля

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

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

Рассмотрим их подробнее.

Центральный стержень

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

Оптоволокно

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

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

Пластиковые модули

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

Пленка с гидрофобным гелем и оболочка из полиэтилена

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

Броня

При производстве ставят один из следующих типов:

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

Наружная полиэтиленовая оболочка

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

Источник