Волокна і кабелі





Волокна і кабелі



        Раніше "вікнами прозорості" називались вузькі смуги мінімумів поглинання світла в оптичному волокні в областях окіл 850 нм (вікно 1), 1310 нм (вікно 2), 1550 нм (вікно 3).
      Розвиток технології виготовлення оптичних волокон і покращення їх параметрів (наприклад, використання денітрації матеріалу світловода або легування матеріалу волокна оксидом фосфору), зокрема зменшення і зсув піків поглинання на іонах ОН‾ в довгохвильову частину спектру призвело до зміни діапазонів, наразі вікно 2 - це смуга від 1270 (1280) нм до 1325 нм, вікно 3 - від 1528 нм до 1565 нм, вікно 4 - від 1565 нм до 1620 нм, вікно 5 - від 1325 нм до 1450 нм.
        В таблиці 5.1 роз'яснення ITU-Т G.Sup.39 вказані границі оптичних діапазонів для одномодового волокна.
Смуга Назва Діапазон (нм)
O Original 1260 ÷ 1360
E Extended 1360 ÷ 1460
S Short wave length 1460 ÷ 1530
C Conventional 1530 ÷ 1565
L Long wave length 1565 ÷ 1625
U   Ultra long wave length   1625 ÷ 1675

        Це також можна проілюструвати рисунком, де зображена спектральна залежність погонних втрат потужності оптичного сигналу в одномодовом волокні.

Діапазони в ОВ.

Рисунок

        Діапазон "О" "Похідний" (1260 нм ÷ 1360 нм) в нижній межі визначений наявністю "водяного" пику загасання на довжині хвилі 1245 нм і довжиною хвилі зрізу в кабелі, 1260 нм. Довжини хвиль діапазону "О" обрані для інтерфейсів визначених в рекомендації ITU-T G.957 і G.983.1. Область діапазону "О" описана в рекомендації ITU-T на волокна G.652. Коефіцієнт дисперсії в гіршому випадку на краю діапазону (1260 нм) дорівнює згідно рисунка А.2/G.957 мінус 6,42 пс/нм.км і плюс 6,42 пс/нм.км на довжині хвилі 1375 нм, однак оскільки ця довжина хвилі знаходиться на висхідній ділянці загасання викликаного водяним піком з максимумом 1383 нм, в якості верхньої межі діапазону "О" обрана довжина хвилі 1360 нм.
        Поява в рекомендації G.652 підкатегорій волокон G.652C і G.652D з низьким піком "водяного" загасання дозволило використання волокон G.652 цих категорій в якості середовища передачі в інтерфейсах G.957 на довжинах хвиль до 1580 нм.
          Діапазон "E" "Розширений" (1360 нм ÷ 1460 нм) нижня межа діапазону починається з границі діапазону "О" і закінчується довжиною хвилі 1460 нм вище якої загасання водяного пика на 1383 нм вже несуттєве.
        Діапазон "S" "Коротких хвиль" (1460 нм ÷ 1530 нм) довжини хвиль цього діапазону використовуються як для сигнальних каналів, так и для накачки волоконних оптичних підсилювачів.
        Діапазон "C" "Умовний" (1530 нм ÷ 1565 нм) по-суті основний діапазон, котрий використовується для інтерфейсів спектрального ущільнення каналів. Це пов'язано с тем, що оптичні підсилювачі EDFA стабільно працюють як раз в цьому діапазоні, хоч наявні конструкції EDFA де діапазон "C" перевищено. Діапазон відповідає волокнам G.655, а також G.656 частково і G.654. Очікується, що в найближчий час будуть комерційно реалізована і впроваджена робота з оптичними підсилювачами що працюють в діапазоні від 1260 нм до 1650 нм.
        Діапазон "L" "Довгих хвиль" (1565 нм ÷ 1625 нм) також є підходящим для інтерфейсів з волоконними підсилювачами і спектральним ущільненням. Рекомендація ITU-T L.41 розглядає довжини хвиль для тестування, технічного обслуговування вказує довжину хвилі 1625 нм як максимальну для передачі сигналів на лініях без оптичних підсилювачів. Для даного діапазону коефіцієнт загасання в декотрих волокнах може збільшуватись в наслідок макро і мікро згинів після прокладання кабелю.
        Діапазон "U" "Над довгих хвиль" (1625 нм ÷ 1675 нм) розглядається в дійсний час як діапазон довжин хвиль для технічного обслуговування, оскільки не використовується для передачі інформаційних сигналів. Верхня межа діапазону обрана виходячи з умов впливу інфрачервоного поглинання в волокні, що збільшується з ростом довжини хвилі.

      Різні типи волокон є достатньо близькими по значенням величин загасання, але суттєво різняться за величиною хроматичної дисперсії, як показано на рисунку:
Дисперсія в ОВ.

Рисунок

      Говорячи про додаткові вікна прозорості, не можливо не відмітити, що виробникам вдалось розширити робочий діапазон волокна. Наприклад, волокно AllWave (розробка компанії Lucent Technologies) може працювати в чотирьох вікнах - з другого по п'яте, тобто в смузі від 1280 нм до 1620 нм.
Основні параметри ОВ
      ГПараметри, характеристики і методи їх вимірювання для оптичних волокон, визначені в міжнародних рекомендаціях ITU-T G.650.1, G.650.2, G.651, G.652, G.653, G.654, G.655, G.656 і стандартах IEC 60793-1, IEC 60793-2,

    - Погонне загасання у волокні в кабелі
    - Хроматична дисперсія
    - Поляризаційна дисперсія моди
    - Втрати на макровигинах
    - Діаметр поля моди
    - Довжина хвилі одномодового волокна в кабелі
    - Діаметр оболонки
    - Неконцентричність осердя
    - Некруглість оболонки
    - Стійкість до розриву

      Оптичні волокна є лише середовищем розповсюдження сигналу. Для захисту, їх об'єднують в оптичні кабелі.
      Оптичний кабель - кабельний виріб, котрий містить один чи більше оптичних волокон або пучків оптичних волокон в середині спільної оболонки, поверх котрої в залежності від умов експлуатації можуть знаходитись відповідне захисне покриття, в тому числі броня, силові і армуючі елементи. За необхідності, оптичний кабель може мати в своєму складі також електричні провідники.
      Дисперсія:
      Дисперсія в оптичному волокно призводить до збільшення тривалості імпульсів, котрі передаються вздовж волокна. Дисперсія має розмірність часу і визначається як середньоквадратична різниця тривалості імпульсу на виході і вході волокна Тривалість імпульсу.
      Оскільки WDM системи працюють практично виключно по одномодовому волокну то вплив на передачу імпульсів дають хроматична і поляризаційна дисперсія моди, а міжмодова дисперсія відсутня.
- Хроматична дисперсія
      Хроматична дисперсія - явище, котре полягає у збільшенні ширини світлового імпульсу при його розповсюдженні по волокну внаслідок кінцевої ширини спектральної лінії випромінювання в наслідок чого спектральні складові оптичного сигналу розповсюджуються з різними груповими швидкостями. Хроматична дисперсія обмежує швидкість передачі і довжину регенераційної ділянки. - Поляризаційна дисперсія моди
      Причиною виникнення поляризаційної дисперсії моди є порушення осьової симетрії радіального розподілу показника заломлення в поперечному перерізі волокна внаслідок відхилення цього перерізу від ідеально круглої форми і механічні напруження у волокні. Внаслідок чого дві взаємно ортогонально поляризовані складові моди, котра розповсюджується по волокну, мають різну швидкість, що призводить до збільшення тривалості імпульсу як показано на рисунку:
ПМД.

Рисунок

      Процес накопичення ПДМ відбувається по законам теорії ймовірності, оскільки неоднорідності, котрі її викликають, розподілені випадковим чином вздовж волокна.
      Таким образом, можливі лише ймовірнісні оцінки вимірювання ПДМ.
Нелінійні явища
      ТДля технології WDM велике значення має величина інтенсивності потужності світлового потоку, котрий передається по волокну. Висока інтенсивність потужності (тобто, щільність потужності на одиницю площі поперечного перерізу волокна) призводить до появи нелінійних явищ. Зі зростанням швидкостей систем передачі і при використанні технології WDM необхідно враховувати такі нелінійні явища:
- Вимушене зворотне розсіювання Бріллюена - Мандельштама
      Це розсіювання світла великої інтенсивності, що виникає в нелінійному середовищі внаслідок збудження когерентних акустичних коливань молекул речовини, причому світлова хвиля, що розсіюється, має частоту р = - da, де - частота падаючої хвилі, da - частота акустичних коливань часток речовини
      Пов'язане з появою в середовищі розповсюдження сигналу гіперзвукових хвиль розсіяне випромінення Бріллюена - Мандельштама поширюється в напрямку, протилежному до напрямку розповсюдження випромінення оптичного сигналу, що його викликає.
- Вимушене комбінаційне розсіювання (Рамана)
      Це розсіювання світла на коливаннях поляризованих молекул матеріалу оптичного волокна, що спричинює появу в спектрі оптичного сигналу, крім складників з частотою , нових складників з частотами -d і + d, де - частота оптичного сигналу, d - частота коливань молекул.
      ВКР виникає за впливу світла великої інтенсивності на активну речовину ОП, що спричинює поляризацію молекул і їхні теплові коливання
Фазова самомодуляція, перехресна фазова модуляція
      Фазова самомодуляція - це зміна в часі фази імпульсів цифрового сигналу, що передається по оптичному волокну, яка виникає внаслідок залежності показника заломлення матеріалу оптичного волокна від інтенсивності електромагнітного поля.
      Фазова самомодуляція спричинює розширення енергетичного спектра передаваного сигналу.
      Перехресна фазова модуляція - це зміна в часі фази імпульсів цифрових сигналів, що передаються у різних каналах ВОСП із спектральним розділенням каналів, яка виникає внаслідок взаємодії канальних сигналів через залежність показника заломлення матеріалу оптичного волокна від інтенсивності електромагнітного поля.
Чотирихвильове змішування
      Чотирихвильове змішування - нелінійна взаємодія в оптичному волокні двох або більшої кількості світлових хвиль з різними частотами, яка породжує нові світлові хвилі з комбінаційними частотами
      ЧХЗ виникає внаслідок залежності показника заломлення матеріалу оптичного волокна (ОВ) від інтенсивності світла. Інтенсивність нових світлових хвиль максимальна, коли частоти поширюваних світлових хвиль розташовані в околі частоти нульової хроматичної дисперсії ОВ. Чотирихвильове змішування призводить до виникнення перехресних завад та шумів на довжинах хвиль, котрі не використовуються для передавання інформації

Кабелі для ВОСП
Структура ВОК
      Волоконно-оптичний кабель (ВОК), як і кабелі зв'язку з мідними провідниками різної конструкції, складається з середовища розповсюдження інформаційного сигналу, (основного елементу конструкції кабелю) в кабелі ВОК це оптичне волокно, та всіх інших різноманітних елементів конструкції, котрі призначені для захисту основного елементу від всіх зовнішніх хімічних і фізичних впливів та підтримки параметрів середовища передачі в заданих межах на всіх етапах від виробництва і доставки до прокладання, монтажу і експлуатації волоконно-оптичного кабелю.
      В волоконно-оптичному кабелі зв'язку можна виділити такі елементи конструкції (далі ці елементи будуть показані (по мірі можливості) у складі кабелю на конкретних прикладах):
- Оптичне волокно (середовище розповсюдження сигналу, основний елемент ВОК) в первинних захисних покриттях і кольоровій оболонці. Оптичні волокна в кабелі знаходяться у вільному стані, це забезпечує додатковий захист від зусиль розтягнення, згинів, стискання;
- Оптичний модуль - ОМ призначений для додаткового механічного захисту оптичних волокон. ОМ являє собою сукупність вільно укладеного оптичного волокна чи групи волокон в полімерній (наприклад, з полібутілентерефталата або поліетилену) кольорової трубки, що є вторинним захисним покриттям оптичних волокон. Оптичні модулі закручуються навколо центрального силового елементу по гелікоїді, причому на певному кроці (близько метра) напрям скрутки змінюється, така скрутка забезпечує додатковий запас волокна і його свободу руху у складі кабелю, що забезпечує додатковий захист від зусиль розтягування, згинів, стискання.;
- Силові елементи (центральний силовий елемент (розташований в центрі конструкції кабелю) або бічні армуючи елементи (у вигляді двох сталевих дротів розташованих по боках за першою внутрішньою оболонкою кабелю), котрі призначені для захисту оптичного кабелю от повздовжніх зусиль розтягнення при прокладанні ВОК і фіксації кабелю в оптичних муфтах при монтажі кабелю (як правило, виготовляється зі сталевих проволок, тросів або жорстких склопластикових матеріалів, а в декотрих типах кабелю у вигляді пучка синтетичних ниток) У підвісних кабелях на додачу до названих типів силових елементів використовується стальний додатковий зовнішній трос, що підтримує силовий елемент, (часто вмонтований у останню зовнішню оболонку або прикріплений до неї спеціальними затискачами));
- Осердя (Сукупність оптичних волокон, оптичних модулів а, за наявності, і спеціальний профільований елемент з пазами для укладки в них ОВ та ОМ (пази в такому елементі нанесені по гелікоїді, аналогічно скрутки оптичних модулів, для забезпечення вільної укладки волокон), розташовані під першою внутрішньою оболонкою волоконно-оптичного кабелю складають осердя ВОК. До складу осердя можуть, входити також додаткові елементи в залежності від конкретного замовлення на кабель.);
- Оболонки (у вигляді цільних структур (як правило, поліетиленові або з полівінілхлориду) призначені для захисту волокна від хімічних і фізичних впливів, а зовнішня оболонка також захищає бронепокрови від зовнішніх электрохімічних впливів);
- Елементи для захисту від вологи (призначені для захисту ВОК і оптичного волокна від потрапляння вологи, у вигляді гідрофобного гелю-заповнювача містяться між більшістю елементів конструкції ВОК і обов'язково містяться в оптичному модулі, також можуть використовуватись водоблокуюча стрічка, котра заміняє гідрофобні гелі між оболонками кабелю);
- Бронепокрови (призначені для захисту оптичного волокна і внутрішніх елементів конструкції кабелю від зовнішніх повздовжніх і поперечних фізичних впливів (як правило, з 2-х сталевих стрічок накладених перехресно одна на одну, повівів зі сталевих проволок, гофрованих сталевих оболонок або діелектричних стержнів)).
- Додаткові елементи конструкції (розташовуються в різних частинах конструкції кабелю, це різні елементи скріплення: стрічки (наприклад, з поліетилентерефталатної плівки), нитки (наприклад, з кевлару), повив ниток; що розділюють елементи: нитки або повив ниток що розділюють пучки оптичних волокон в осердях з трубчатою структурою; ріп-корди; корделі заповнення для заповнення простору в кабелі з модульним типом осердя; повив армідних ниток СВМ для додатковою захисту кабелю від гризунів, механічних зусиль розтягнення і заповнення простору в осерді оптичного кабелю), можлива також наявність мідних провідників, в декотрих кабелях. Для захисту від корозії, поверх бронепокрову наноситься, повив з джутових або синтетичних пробітумінованих ниток.
      Оптичні кабелі, котрі містять оптичні волокна і, можливо, електричні провідники, класифікують по наведеним нижче типам:
    - Кабелі для безпосереднього прокладання в ґрунт;
    - Кабелі для прокладання в каналах кабельній каналізації;
    - Кабелі для прокладання в тунелях;
    - Кабелі для підвісу на опорах ліній електропередачі;
    - Кабелі для прокладання через озера, річні переходи;
    - Внутрішні кабелі;
    - Портативні (мобільні) кабелі;
    - Кабелі для міжблочних з'єднань;
    - Кабелі спеціального призначення.

      По типу організації осердя ВОК класифікують по таким типам:
    - ВОК с модульним типом осердя;
    - ВОК с профільованим типом осердя;
    - ВОК с трубчастим типом осердя;
    - ВОК с стрічковим типом осердя;

      Розглянемо елементи конструкції і класифікацію ВОК на наступних прикладах (на рисунках не показана частина елементів котрі обов'язково (волого захисні елементи) або часто (різні додаткові елементи конструкції) присутні в конструкції осердя):
Осердя модульної конструкції.

Рисунок Модульна структура осердя ОК

1 - Центральний силовий елемент;
2 - Перша внутрішня оболонка кабелю;
3 - Модульна трубка (в сукупності з оптичними волокнами всередині неї утворює оптичний модуль);
4 - Оптичне волокно в захисній кольоровій оболонці;
5 - Кордель заповнення

Осердя профільованої конструкції.

Рисунок Профільована структура осердя ОК

1 - Центральний силовий елемент;
2 - Профільований елемент осердя;
3 - Перша внутрішня оболонка кабелю;
4 - Модульна трубка (в осерді такої конструкції оптичні волокна можуть безпосередньо бути укладені в пази профільованого елемента осердя без модульної трубки);
5 - Оптичне волокно в захисній кольоровій оболонці;

Осердя трубчастої конструкції.

Рисунок Трубчаста структура осердя ОК

1 - Оптичне волокно в захисній кольоровій оболонці (пучки волокон в такій конструкції осердя розділяються обмоткою (кольоровою ниткою), для кожного пучка колір ниті різний);
2 - Трубка з поліетилену (мономодульне осердя) або сталі чи алюмінію (в таких осердях волокна всередині трубки можуть знаходиться у складі оптичних модулів);
3 - Армуючи елементи (у вигляді двох сталевих проволок, розташовані по бокам і виконують функцію силового елемента конструкції)

Осердя стрічкової конструкції.

Рисунок Стрічкова структура осердя ОК


1 - Стрічка з оптичних волокон в захисній кольоровій оболонці (як правило, в стрічку збирають 12 волокон);
2 - Перша внутрішня оболонка кабелю;
3 - Армуючи елементи (в вигляді двох сталевих дротів, розташовані по боках і виконують функцію силового елемента конструкції)
      Існують три типу стрічкових елементів, за способом формування стрічки з волокон:

    - "Сандвіч, "при котрому стрічка формується підклеюванням липкої речовини (адгезіву) з верху чи знизу до групи (до 20 оптичних волокон).
    - Стрічка формується з волокон (до 12 оптичних волокон) з'єднаних між собою за допомогою спеціального заповнювача, з матеріалу того ж складу, що і первинне захисне покриття.
    - Два або чотири оптичних волокна, розташовані в капсулі з матеріалу, аналогічного первинному покриттю волокон.

      Стрічковий тип осердя широко використовується, коли виникає потреба в щільних пучках (більше 100) волокон.
      У випадку потреби забезпечити оптичному волокну захист при малих радіусах згину, використовують осердя з жорстким захистом, за якого зовнішнє покриття (наприклад, поліамід, полістирол) наноситься безпосередньо на первинне покриття.
      Кабелі повинні мати чітке маркування, нанесене на зовнішню оболонку. Маркування повинне бути стійке до зовнішніх впливів і зберігатись в продовж всього терміну служби кабелю та мати наступну інформацію:

    - Товарний знак, або код, чи назву заводу виробника;
    - Скорочене умовне позначення кабелю (смислове значення буквено-цифрових символів в скороченому умовному позначенні кабелю на маркуванні може не співпадати у виробників різних країн і різних заводів);
    - Рік виготовлення;
    - Маркування погонного метра довжини з точністю не нижче +/- 1%
    - Знак сертифікату відповідності.

      Скорочене умовне позначення кабелю містить в собі інформацію про склад кабелю:
      В стандарті IEC 60304 було визначено дванадцять стандартних кольорів ізоляції низькочастотних кабелів і дротів, котрі використовуються і для кольорового кодування ОВ в групах, що містять до 12 ОВ. Часто замість білого кольору використовується "натуральний" тобто "безкольоровий" окрас волокна.
  Назва кольору  Колір
білий                    
червоний                    
чорний                    
жовтий                    
синій                    
зелений                    
оранжевий                    
сірий                    
брунатний                    
голубий                    
фіолетовий                    
рожевий                    


      Якщо в оптичному модулі розташовано більше 12 волокон, то використовуються ті самі кольори, проте вводиться додаткове маркування чорними мітками, нанесеними через 50 мм. Інколи, для окрасу наступних (після 12 ОВ) оптичних волокон, можуть застосовуватись додаткові кольори, наприклад оливковий, лимонний, бежевий, бузковий.
      Нумерація ОВ визначається національними стандартами (наприклад, стандартом ТIA/EIA-598 або навіть (найчастіше) технічними умовами, що може привести до плутанини при зрощуванні волокон в різних кабелях.
      Колір і лік оптичних модулів оптичних модулів в кабелі практично кожен крупний завод виробник виконує по-своєму (навіть в межах однієї країни різні заводи використовують свою кольорову гаму і лік модулів котрі часто неідентичні).

      Наявна значна кількість стандартів і рекомендацій, в тому числі і міжнародних, котрі описують волоконно-оптичні кабелі зв'язку, наприклад:
  EIA/TIA-4720000-A Загальна специфікація волоконного оптичного кабелю.
  TIA/EIA-598-C Кодування волоконного оптичного кабелю. TIA.
  ITU-T L.10 Оптичний кабель для прокладання в труби, тунелі, в ґрунт и для підвісу на опорах.
  ITU-T L.26 Оптичний кабель для підвісу на опорах.
  ITU-T G.651 Характеристики кабелю с багатомодовим градієнтним оптичним волокном 50/125 мкм.
  ITU-T G.652 Характеристики кабелю с одномодовим оптичним волокном.
  ITU-T G.653 Характеристики кабелю с одномодовим оптичним волокном зі зсунутою ненульовою дисперсією.
  ITU-T G.654 Характеристики кабелю с одномодовим оптичним волокном зі зсунутим кутом зрізу моди.
  ITU-T G.655 Характеристики кабелю с одномодовим оптичним волокном зі зсунутою ненульовою дисперсією.
  ITU-T G.656 Характеристики волокна і кабелі з ненульовою дисперсією для широкосмугових транспортних систем передачі.
  ITU-T G.657 Характеристики нечутливих до втрат на згин одномодового оптичного волокна и кабелю для мереж доступу.
  IEC 60794-1-1 Волоконно-оптичні кабелі - Частина 1-1: Загальні технічні умови - Загальні положення.
  IEC 60794-1-2:1999 Волоконно-оптичні кабелі - Частина 1-2: Загальні технічні умови - Загальні методи випробування оптичних кабелів.
      Наведений перелік стандартів далеко неповний, для того, щоб повністю розглянути стандарти і рекомендації, котрі описують вимоги до оптичних кабелів, їх прокладання, експлуатації і методам випробувань, знадобилась би окрема книга, тому наведені лише основні стандарти, що описують вимоги до оптичних кабелів.


Піктограми ВОК.

Рисунок Декотрі піктограми, що пояснюють властивості ВОК.




Перейти на головну сторінку
Повернутись до списку Літератури