Волоконно оптический кабель где применяется

Особенности волоконно-оптического кабеля

Волоконно-оптический кабель отличается целым рядом особенностей, определяющих его огромные функциональные возможности. Высокий потенциал ВОК достигается благодаря оптической среде передачи данных и особой конструкции оптического волокна.

Что такое волоконно-оптический кабель?

Волоконно-оптический кабель — это кабельное изделие, в котором полезные сигналы передаются по оптическим волокнам (ОВ), а не по медным жилам. Передача информации осуществляется в оптическом формате при помощи светового излучения.

В конструкцию ВОК входят от двух до нескольких сотен ОВ, количество которых зависит от назначения оптоволоконного кабеля. Оптоволокно производится из разных типов кварцевого стекла с добавлением определенных легирующих материалов, которые изменяют коэффициент преломления светового луча.

Конструкция волоконно-оптического кабеля

Конструкция ВОК изменяется в зависимости от его типа и назначения при общем сходстве отдельных конструктивных элементов. Познакомимся с особенностями кабельной конструкции на примере оптоволоконного кабеля, изображенного на рисунке.

Волоконно-оптический кабель в разрезе

В центре конструкции виден силовой элемент из стеклопластикового прутка, предназначенный для демпфирования нагрузок, создаваемых при монтаже и эксплуатации. Волокна расположены внутри оптических модулей, оберегающих их от внешнего воздействия. Модули представляют собой пластиковые трубки, имеющие оптимальный диаметр для группирования нужного количества ОВ.

В состав ВОК входят один или несколько модулей, что зависит от общего числа волокон. Модульное группирование оптических волокон и их цветовая маркировка намного облегчают идентификацию каждого конкретного оптоволокна при монтаже муфт и расшивке оптоволоконного кабеля на кроссе.

Оптические модули покрыты водоотталкивающим гелем, предохраняющим от проникновения влаги. Бандажная лента из полиэтилена фиксирует оптические модули и не дает вытечь гелевому наполнителю.

Внутренняя полиэтиленовая оболочка является буферным слоем, разделяющим оптические модули и армирующую броню. В данном примере бронирование выполнено стальной оцинкованной проволокой, надежно защищающей от грызунов и экстремальных нагрузок.

Важнейшим элементом защиты является внешняя оболочка из негорючего высокоплотного полиэтилена. От надежности наружного покрытия зависит длительность безотказного функционирования оптоволоконного кабеля, что диктует строгие требования к технологии его производства.

Принцип работы волоконно-оптического кабеля

Принцип работы волоконно-оптического кабеля базируется на передаче модулированного светового потока, инициируемого лазером или специальным светодиодом в составе оптического трансивера. Электрические сигналы преобразуются в свет на одном конце ВОК, передаются по оптоволокну и принимаются на другом конце кабеля. На приеме свет конвертируется в исходные электрические сигналы.

Разработчики оптического волокна нашли гениальное решение, разделив его на сердцевину и оболочку с разными показателями преломления света. Лазерное излучение проходит по сердцевине, отражаясь от оболочки, что способствует минимальным потерям мощности даже на протяженных магистралях. Физические параметры полученного световода легко рассчитываются, позволяя изготавливать оптоволоконные кабели с заданными характеристиками, предназначенные для решения конкретных задач.

Дальность распространения световых импульсов ограничивается затуханием и дисперсией. Причинами затухания в оптическом кабеле являются внутренние отражения, рассеяние и поглощение. Дисперсия приводит к искажению исходной формы сигналов, а именно к увеличению их длительности.

Современные ВОК имеют параметры, предоставляющие возможность передавать сигналы на расстояние до 100 км. Учитывая эти ограничения, на магистральных трактах через каждые 80 — 100 км устанавливаются регенерационные пункты, в которых полностью восстанавливается исходный сигнал. Таким образом, можно строить линии связи в несколько десятков тысяч километров.

Типы волоконно-оптического кабеля

Волоконно-оптические кабели разделяются на разные типы, что важно понимать при выборе ВОК для индивидуального проекта. Зная типовые особенности оптоволоконного кабеля, можно без труда подобрать наиболее подходящий вариант.

По виду оптоволокна

По виду оптоволокна ВОК подразделяются на одномодовые и многомодовые. Под модой понимается траектория распространения светового луча внутри световода. ОВ этих видов отличаются диаметром сердцевины и оболочки.

Световой луч вводят в оптическое волокно одним их двух способов:

• под нулевым углом — одномодовое волокно. Возникает лишь одна мода, распространяющаяся прямолинейно;
• под небольшим углом — многомодовое волокно. Образуются много мод, которые распространяются, многократно отражаясь от оболочки, и достигают точки приема за различное время.

Схема ввода светового луча в оптоволокно

Оптоволоконные кабели с одномодовыми волокнами обеспечивают повышенную дальность передачи без восстановления сигнала и лучшую пропускную способность. Для сравнения:

• одномодовое волокно — 100 км, до 200 Тбит/сек;
• многомодовое волокно — 500 м, до 10 Гбит/сек.

Очевиден вывод о эффективности применения одномодовых волоконно-оптических кабелей на магистралях связи большой протяженности и подключения удаленных сегментов высокоскоростных информационных сетей. Для мультимодовых ВОК находится применение при создании локальных кабельных сетей на небольшой территории.

По назначению

Специалисты выделяют несколько типов волоконно-оптических кабелей по назначению. Встречается аналогичное разделение по способу монтажа. В принципе, это одно и тоже, что нужно учитывать при выборе кабельной продукции. Основным отличием ВОК разных типов являются их конструктивные особенности, например, параметры внешней оболочки, наличие и материал брони/силовых элементов, огнестойкость, уровень защиты от влаги.

Для монтажа внутри зданий

Волоконно-оптические кабели внутри зданий монтируются в пространстве кабельных лотков и кабель-каналов от оптических кроссов до мест подключения абонентских устройств. Наружную оболочку ВОК производят из материалов с пониженным уровнем дымовыделения, не распространяющих горение, чтобы соблюсти требования противопожарной безопасности. Броня и силовые элементы, как правило, отсутствуют. Защитные функции выполняет армирование кевларовыми нитями.

Кабели характеризуются минимальным весом, небольшим радиусом изгиба. Количество ОВ может варьироваться от 2 до 24. В случае прокладки по помещениям с наличием агрессивной, пожароопасной или взрывоопасной среды применяются специализированные оптоволоконные кабели.

Для прокладки в канализации

Для прокладки в канализации и коллекторных сооружениях востребованы волоконно-оптические кабели с броней, выдерживающие большой уровень растягивающих и раздавливающих нагрузок. Виды бронирования:

• ленточное;
• проволочное — с 1 или 2 повивами.

Чаще применяется ленточное бронирование, которое выполняется в виде гладкой или гофрированной трубки из стали 0,1 — 0,2 мм. Гофрированная лента эффективнее противостоит грызунам и повышает гибкость кабельного изделия. Массивная проволочная броня выбирается в случае особо сложных условий окружающей среды.

Особое внимание уделяется кабельной оболочке, изготавливаемой из негорючего полиэтилена высокой плотности, выдерживающего значительные перепады температур. Оптические модули обязательно защищаются слоем водоотталкивающего геля. Такое решение отлично зарекомендовало себя в условиях влажной атмосферы канализации и коллекторов.

Для укладки в грунт

Укладка в грунт предполагает эксплуатацию волоконно-оптического кабеля в крайне агрессивной внешней среде и риск критических механических воздействий. Нередки случаи повреждений ВОК в результате работы тяжелой строительной техники, ошибочно организованной в охранной зоне на трассе оптоволоконной линии связи.

Для минимизации ущерба оптическим волокнам применяют кабели с мощной проволочной броней, имеющей один или два повива, очень редко с ленточной броней. Такой выбор становится понятен, если учитывать, что проволочное бронирование обеспечивает:

• максимальную нагрузку при растяжении — до 80 000 Ньютон/100 мм;
• допустимое раздавливающее усилие — до 4 000 Ньютон/1 см.

У ленточного бронирования эти показатели гораздо ниже: 2 700 Ньютон/100 мм и 500 Ньютон/1 см соответственно.

Сохранность ОВ от проникновения влаги, особенно в период дождей, обеспечивается надежной изоляцией оптических модулей гидрофобным гелеобразным наполнителем

Для воздушной подвески

Для воздушной подвески на опорах низковольтных и высоковольтных линий электропередачи, связи, освещения или между зданиями/сооружениями применяются самонесущие волоконно-оптические кабели. Название «самонесущие» хорошо отражает преимущество этого типа ВОК — отсутствие необходимости в использовании дополнительного стального троса для подвески кабеля.

Основными видами самонесущих ВОК являются:

• кабели круглого сечения — полностью диэлектрические, с силовым элементом из стеклопластиковых прутков или армирующих арамидных нитей. Это грамотный выбор для подвески на ЛЭП ввиду отсутствия металла в конструкции кабеля. Можно применять на протяженных пролетах ввиду небольшой парусности. Крепление ВОК выполняют арматурой, а соединение кабельных строительных длин — с помощью оптических муфт;
• кабели с сечением в форме цифры «восемь» — интересны наличием вынесенного силового элемента: стального троса или стеклопластикового стержня в изолированной оболочке.

ВОК со стальным тросом не допускается к подвеске на ЛЭП из-за высоковольтных наводок от электромагнитного поля, представляющих опасность для линейного персонала. Длина пролетов ограничивается 70 метрами из-за увеличенной парусности ВОК. Кабель монтируется в поддерживающих и натяжных зажимах, позволяющих добиться необходимого значения провеса.

Оптоволоконные самонесущие кабели могут эксплуатироваться в условиях крайнего севера и юга с температурными перепадами в пределах -60 О — +70 О . Оптические волокна надежно защищены гидрофобным гелем от воздействия осадков.

Преимущества волоконно-оптического кабеля

В завершение обзора волоконно-оптического кабеля сформулируем его основные преимущества:

• Увеличенная пропускная способность — до 2 Тбит/с (и более в перспективе).
• Экономические выгоды:
  • стоимость намного ниже по сравнению с «медным» кабелем;
  • требуется меньшее количество усилителей/регенераторов — одно устройство на 100 км. Для электрической линии связи нужен усилитель на каждые 5 км.
• Минимальный коэффициент шума.
• Устойчивость к любым помехам и наводкам.
• Малый вес и компактный объем.
• Пожарная безопасность.
• Взрывобезопасность.
• Невозможность злоумышленного съема информации.

Совокупность преимуществ оптоволоконного кабеля позволяет сделать вывод о его комплексном превосходстве над традиционным «медным» кабелем. ВОК выгоднее применять в проектах по организации информационных сетей любого масштаба и линий связи любой протяженности.

Источник

Оптоволокно: прошлое и настоящее

В 1966 году ученый и выходец из Китая Чарльз Као Куэн представил миру результаты собственного исследования. Основной посыл его разработок заключался в том, что оптическую связь можно организовать с помощью стеклянного волокна. В своей работе Као представил миру уникальные конструктивные особенности волокна и его материалов. Исследования ученого можно по праву считать основой волоконно-оптических телекоммуникаций сегодняшнего дня. Первое же упоминание термина “оптическое волокно” впервые было использовано в 1956 году компанией NS Kapany из США.

Сегодня технологии волоконно-оптической связи настолько прочно проникли в нашу жизнь, что мы уже не видим в них ничего удивительного и воспринимаем их наличие также, как наличие водопровода в многоквартирном доме. Поэтому в этой публикации хотелось бы подробнее поговорить об оптике и рассказать несколько интересных фактов о технологии, на которой основана современная высокоскоростная связь.

Немного истории

За время истории развития волоконной оптики было проведено множество интересных исследований и экспериментов. Остановим свой взгляд лишь на некоторых из них.

Английский физик Джон Тиндалл провел эксперимент с отражением светового луча в струе воды, описание которого он зафиксировал в своей книге.

«Если угол, под которым падает луч света из воды в воздух (т.е. угол между поверхностью двух сред и перпендикуляром), превышает 48 градусов, то луч не выходит из воды – он полностью отражается от границы вода-воздух… Если наименьший угол падения, при котором наблюдается полное внутреннее отражение, назвать предельным углом, то для воды он будет равным 48°27», для бесцветного стекла (флинтглас) – 38°41″, а для алмаза – 23°42″, — пишет Тиндалл.

Экспериментальная установка Джона Тиндалла

Этот эксперимент при желании может дома поставить любой желающий. Лазерной указкой нужно светить под разными углами в ванной на струю воды из крана. Под определенным углом световой луч будет полностью отражаться в потоке воды.

Аналогичный эксперимент можно произвести и с фонариком. Для этого в прозрачной пластиковой бутылке нужно сделать отверстие сбоку. Пропускаем воду через бутылку и начинаем светить фонарем с противоположной стороны бутылки. Если мы подставив ладонь, то на ней будет отражаться пятно света.

Активные разговоры о волоконных светодиодах начались еще в пятидесятых годах прошлого столетия. Тогда же и начали их делать из разного рода прозрачных материалов. Но прозрачности тех материалов не хватало для хорошей проводимости света.

В те годы Советский Союз даже опережал Запад в сфере волоконной оптики. Первая оптическая линия связи была запущена в СССР в 1977 году в Зеленограде. Канал был создан для соединения Северной промзоны и администрации города. Изготовлена она была на оптическом кабеле разработки особого конструкторского бюро кабельной промышленности (ОКБ КП), входящего в Концерн «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ) Государственной корпорации Ростех, специализирующегося на производстве кабелей и кабельных сборок.

В мае 1981 года в СССР вышло Постановление ЦК КПСС и СМ СССР «О разработке и внедрении световодных систем связи и передачи информации». Это событие стало толчком для развития волоконно-оптической связи и увеличению количества разработок в этой сфере.

В начале 60-х сначала в СССР, а затем и на Западе ученые приходят к выводу, что светопоглощение стекла сильно зависит от красящих материалов и продуктов разъедания огнеупоров. Экспериментально было доказано, что светопоглощение идеально чистого стекла настолько мало, что лежит за пределами чувствительности измерительных приборов.
В 1966 году группа ученых во главе Чарльзом Куэн Као приходит к выводу, что наиболее подходящим материалом для волоконно-оптической связи будет кварцевое стекло. Уже тогда Као считал, что с помощью оптики можно будет передавать информацию и вскоре этот вид связи заменит передачи сигнала по медным проводам.

Спустя три года Као получил волокно с коэффициентом затухания на уровне 4 дБ/км. Это результат стал первым экземпляром сверхпрозрачного стекла. Еще год спустя компания Corning Incorporated произвела волокна со ступенчатым профилем показателя преломления и достигла коэффициента затухания 20 дБ/км на длине волны 633 нм. Впервые кварцевое волокно пропустило световой луч на расстояние до 2 километров.

Согласитесь в схожем темпе сейчас развивается квантовая передача данных. По чуть-чуть, да понемногу. В качестве экспериментов и коммерческого использования на небольших расстояниях.

Где оптоволокно применяется помимо телекома

Сегодня волокно применяется во множестве отраслей помимо телекома. Это рентгеновские аппараты, где оно обеспечивает гальваническую развязку между источником высокого напряжения и низковольтным управляющим оборудованием. Так персонал и пациенты получают изоляцию от высоковольтной части аппаратуры. Волокно применяют в распределительных устройствах электроподстанций в качестве датчика системы защиты.

Обширно оптические волокна используют в разного рода измерительных системах, где невозможно применять традиционные электроприборы. Например, в системах измерения температуры в реактивных двигателях самолета, в аппаратах МРТ (томографические медицинские аппараты для исследования внутренних органов, в том числе головного мозга) и др. Датчики на основе оптических волокон могут измерять частоту вибраций, вращения, смещения, скорость и ускорение, вращающий момент, скручивание и другие параметры.

Сегодня применяются гироскопы на основе оптического волокна, которые работают на основе эффекта Саньяка. У такого гироскопа нет подвижных частей, что делает его весьма надежным. Несмотря на то что в современных системах навигации используется огромное количество различных датчиков, благодаря которым определяется положение объекта, наиболее независимую систему можно создать лишь на основе волоконно-оптических гироскопов.
Оптика широко применяется в охранной сигнализации. Устроена такая охранная система следующим образом: когда злоумышленник проникает на территорию условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация.

Пример реализации волоконно-оптического гироскопа

Трехосевой волоконно-оптический инерциальный измерительный модуль серии ASTRIX производства фирмы AIRBUS DEFENCE&SPACE; в датчик по каждому направлению встроен LiNb03 модулятор

Волокно активно используется в декоративных целях, как украшение праздников, в искусстве и рекламе.

Постоянно разрабатываются новые типы оптических волокон. К примеру, фотонно-кристаллических световоды. Распространение света в них основано на несколько иных принципах. Такое волокно можно использовать в качестве жидкостных, химических и газовых датчиков. Кроме того его можно применять для для транспортировки мощного излучения в промышленных или медицинских целях.

Уже не в новинку волоконные лазеры с выходной мощностью непрерывного излучения в несколько десятков киловатт. Оружие на основе 6-волоконных 5.5 кВт лазеров еще в 2014 году испытали в американском флоте. Волоконным лазерами режут металл и бетон. Например, установка для резки металла компании IPG Photonics имеет мощность в 100 кВт.

Полным ходом идет разработка оптоволокна, с помощью которого можно было бы передавать энергию лазерного излучения мощность в несколько киловатт. В теории передача излучения мощность 10 кВт по волокну длиной 250 м при диаметре сердцевины 150 мкм считается возможной.

Фотонно-кристаллическое волокно

Также стоит отметить, что сегодня активно разрабатываются многосердцевинные волокна. Их использование позволит значительно увеличить общую пропускную способность ВОЛС.
Волокну уже за пятьдесят, но технология явно не собирается на пенсию. Инновации в сфере оптоволокна появляются регулярно и телеком здесь далеко не единственная отрасль заинтересованная в развитии технологии.

Источник