Какие оптические волокна применяются для прокладки магистральных линий связи

Оптические волокна для телекоммуникаций: кварцевые и не только

Время от времени на Хабре появляются различные статьи на тему волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), что неудивительно, поскольку оптическая связь сегодня является одним из основных способов передачи информации. Оптические линии связи успешно конкурируют с традиционными медными линиями и беспроводными технологиями. Именно оптическому волокну мы во многом обязаны резким увеличением объема и скорости передаваемой по всему миру информации за последние годы и, в частности, развитием Интернета. Более того, с каждым годом оптическое волокно становится все ближе к потребителю и осваивает все новые сферы применения.

Мы уверены, что каждый уважающий себя IT-специалист должен иметь хотя бы общее представление о ВОЛС, независимо от того, чем конкретно он занимается. Предлагаемая вашему вниманию статья посвящена разновидностям и классификации оптических волокон. Конечно, сейчас можно легко найти очень много разной информации на эту тему. Но, как вы увидите дальше, и нам есть что рассказать. Тем более что на Хабре пока тема оптического волокна освещена, как нам кажется, в недостаточной степени.

Но для начала немного о себе

Компания «ЭФО» занимается поставками импортных электронных компонентов на российский рынок с 1991 года. Последние 15 лет (с 2001 г.) наша программа поставок включает волоконно-оптические и оптоэлектронные компоненты. Исторически сложилось, что основными нашими клиентами являются представители разных отраслей промышленности.

«ЭФО» имеет несколько специализированных сайтов под разные группы продукции. Оптической связи посвящен сайт infiber.ru, которым занимаются сотрудники Отдела волоконно-оптических компонентов. Сайт содержит каталог волоконно-оптической продукции, которую мы поставляем. Также здесь публикуются новости производителей и статьи, написанные сотрудниками отдела. Наш сайт создан недавно, но активно развивается.

Цель данной статьи

Как уже упоминалось, в этой статье мы хотели рассказать не столько о самом оптическом волокне, сколько о его разновидностях и классификации. Большинство читателей, скорее всего, знает разницу между одномодом и многомодом, но мы хотим дать более детальную информацию, чтобы Вы могли легко ориентироваться в многообразии современных волокон и их свойствах и не испытывали затруднений с вопросами, которые возникают в практической работе, например:

• Что означает OM4 в спецификации к оптическому волокну и чем оно отличается от OM1, OM2 и OM3?
• Какие материалы используются при производстве волокон и кабелей? Что такое пластиковое оптическое волокно?
• Где следует использовать волокно со смещенной дисперсией и в каких случаях дисперсия должна быть нулевой?
• Что означают аббревиатуры POF и HCS (PCS)?

Опыт общения с заказчиками показывает, что эти и другие вещи, связанные с классификацией волокон, известны далеко не всем (напомним, наши клиенты в основном работают в промышленности и чаще всего являются специалистами каждый в своей области). Поэтому считаем, что подобная информация будет крайне полезной. Очень надеемся, что одной статьей наше совместное обсуждение темы ВОЛС на Хабре не закончится.

Немного забегая вперед, отметим, что одной из главных особенностей этой статьи мы считаем знакомство читателей с волокнами POF и HCS, поскольку 1) эти волокна набирают все большую популярность в промышленности и других сферах и 2) в отличие от традиционных кварцевых волокон они не так хорошо освещены в русскоязычном интернете.

И последнее. Недавно мы разместили на нашем сайте пять статей, в которых более подробно рассказывается об оптическом волокне и его основных типах. Кому информации, изложенной ниже, окажется недостаточно, добро пожаловать к нам на сайт!

Оптическое волокно и его основные характеристики

Исходя из поставленной задачи (представить классификацию оптических волокон), мы не хотели бы сильно углубляться в теоретические основы волоконно-оптической связи. Но для того чтобы информация была понятна широкому кругу читателей, начнем все-таки с того, что представляет собой оптическое волокно, каким образом по нему передается сигнал и каковы его некоторые основные характеристики.

Оптическое волокно (оптоволокно) – это волновод с круглым поперечным сечением, по которому передается электромагнитное излучение оптического диапазона (обычно ближний ИК и видимый свет). Оптическое волокно состоит из двух основных частей: сердцевины и оптической оболочки. Диаметр этой структуры сравним с толщиной человеческого волоса. Сверху на оптоволокно наносится защитное акриловое покрытие. Для дальнейшей защиты используются различные упрочняющие и защитные элементы. Конструкция, содержащая одно или несколько оптических волокон и различные защитные элементы, покрытые общей оболочкой, называется волоконно-оптическим кабелем.

Информационный сигнал передается по оптическому волокну в виде модулированного светового излучения. Благодаря явлению полного внутреннего отражения (вспомните школьный курс геометрической оптики), свет, попавший в оптоволокно, распространяется по нему на большие расстояния. Сердцевина и оптическая оболочка волокна изготавливаются из материалов с незначительно отличающимися показателями преломления (показатель преломления сердцевины больше). Поэтому световые волны, попавшие в сердцевину под углами, меньшими некоторого критического значения, многократно переотражаются от оболочки. Если при этом выполняются условия для распространения в волноводе (свет – это не только поток частиц, но и электромагнитная волна), то такие световые волны, называемые модами, распространяются на значительные расстояния.

Помимо разницы между показателями преломления сердцевины и оболочки важную роль играет профиль показателя преломления сердцевины, то есть зависимость величины показателя преломления от радиуса поперечного сечения оптоволокна. Если показатель преломления остается одинаковым во всех точках сечения сердцевины, такой профиль называется ступенчатым, если плавно уменьшается от центральной оси к оболочке, – градиентным. Встречаются и более сложные профили. Профиль показателя преломления оказывает большое влияние на характеристики оптического волокна как среды передачи информации.

Среди большого числа характеристик и параметров, описывающих оптическое волокно как среду передачи данных, отметим наиболее важные – затухание (потери) и дисперсию.

Затухание – это постепенное ослабление мощности оптического сигнала по мере распространения по оптоволокну, вызванное разными физическими процессами. Величина затухания имеет сложную зависимость от длины волны излучения и измеряется в дБ/км. Затухание служит одним из главных факторов, ограничивающих дальность передачи сигнала по оптическому волокну (без ретрансляции).

Дисперсия – это уширение оптического импульса, передаваемого по оптоволокну, во времени. При высокой частоте следования импульсов такое уширение на некотором расстоянии от передатчика приводит к перекрыванию соседних импульсов и ошибочному приему данных. Дисперсия ограничивает как дальность, так и скорость передачи информации.

Разновидности и классификация оптических волокон

Рассказав (или напомнив) читателю об этих базовых понятиях, перейдем к тому, ради чего все это излагалось, – к классификации оптических волокон. Существует огромное количество различных оптических волокон, поэтому сразу сделаем оговорку, что мы не будем касаться так называемых специальных волокон, используемых в научных исследованиях и разных специфических применениях, а также волокон, которые пока являются скорее технологиями будущего. Мы сосредоточимся на тех типах оптических волокон, которые уже сегодня широко используются в телекоммуникациях. А таких типа четыре.

Основными критериями, по которым проводится классификация, можно считать следующие два:

• Материал, из которого изготавливается сердцевина и оптическая оболочка. Оптоволокно может изготавливаться не только из кварцевого стекла, но и из других материалов, в частности из полимеров.
• Количество распространяющихся мод. В зависимости от геометрических размеров сердцевины и оболочки и величины показателя преломления в оптическом волокне может распространяться только одна или же большое количество пространственных мод. Поэтому все оптические волокна делят на два больших класса: одномодовые и многомодовые.

Таким образом, можно выделить четыре больших класса оптических волокон (ссылки ведут к соответствующим статьям на infiber.ru):

На рисунке ниже изображены поперечные сечения этих четырех типов волокон (соотношение размеров сохранено).

Поговорим подробнее о каждом из этих типов.

1. Кварцевое многомодовое волокно

Кварцевые волокна являются самым известным и распространенным типом оптических волокон. Поскольку многомодовые и одномодовые кварцевые волокна сильно отличаются по своим характеристикам и применению, удобнее рассмотреть их по отдельности.

Многомодовое кварцевое волокно имеет и сердцевину, и оптическую оболочку из кварцевого стекла. Как правило, такое оптоволокно имеет градиентный профиль показателя преломления. Это необходимо, чтобы снизить влияние межмодовой дисперсии. Как было показано выше, моды распространяются в оптическом волокне по разным траекториям, а значит, время распространения каждой моды также отличается. Это приводит к уширению передаваемого импульса. Градиентный профиль уменьшает разницу во времени распространения мод. За счет плавного изменения показателя преломления моды высшего порядка, которые попадают в волокно под бо́льшим углом и распространяются по более длинным траекториям, имеют и бо́льшую скорость, чем те, которые распространяются вблизи сердцевины. Полностью устранить влияние межмодовой дисперсии невозможно, поэтому многомодовое волокно уступает одномодовому по дальности и скорости передачи информации.

Рабочими для многомодового волокна обычно являются длины волн 850 и 1300 (1310) нм. Типичное затухание на этих длинах волн – 3,5 и 1,5 дБ/км соответственно.

Классификация. Кварцевое многомодовое волокно было первым типом волокна, которое стало широко применяться на практике. Распространение получили два стандартных размера многомодовых волокон (диаметр сердцевины/оболочки): 62,5/125 мкм и 50/125 мкм.

Общепринятая классификация многомодовых кварцевых волокон приводится в стандарте ISO/IEC 11801. Этот стандарт выделяет четыре класса многомодовых волокон (OM – Optical Multimode), отличающиеся шириной полосы пропускания (параметр, характеризующий межмодовую дисперсию и определяющий скорость передачи информации):

• OM1 – стандартное многомодовое волокно 62,5/125 мкм;
• OM2 – стандартное многомодовое волокно 50/125 мкм;
• OM3 – многомодовое волокно 50/125 мкм, оптимизированное для работы с лазером;
• OM4 – многомодовое волокно 50/125 мкм, оптимизированное для работы с лазером, с улучшенными характеристиками.

Фраза «оптимизированное для работы с лазером» напоминает о том, что изначальна для передачи сигнала по многомодовому волокну использовались светодиоды (LED). С появлением полупроводниковых лазеров стали разрабатываться волокна более совершенной структуры, названные оптимизированными для работы с лазерами.

Применение. Многомодовое волокно применяется в непротяженных линиях связи (обычно сотни метров), причем волокно 50/125 мкм (OM2, OM3, OM4) используется в основном в локальных сетях и дата-центрах, а волокно 62,5/125 мкм часто применяется в индустриальных сетях. В гигабитных приложениях рекомендуется применять волокна классов OM3 и OM4. Причина, по которой многомодовое волокно до сих пор не вытеснено одномодовым волокном, обладающим лучшими характеристиками, заключается в меньшей стоимости компонентов линии (активное оборудование, соединительные изделия). Цена снижается из-за большего диаметра сердцевины многомодового волокна, и, соответственно, меньших требований к точности изготовления и монтажа компонентов.

2. Кварцевое одномодовое волокно

В одномодовом волокне, как следует из названия, распространяется только одна (основная) мода излучения. Это достигается за счет очень маленького диаметра сердцевины (обычно 8-10 мкм). Диаметр оптической оболочки такой же, как и у многомодового волокна – 125 мкм. Отсутствие других мод положительно сказывается на характеристиках оптоволокна (нет межмодовой дисперсии), увеличивая дальность передачи без ретрансляции до сотен километров и скорость до десятков Гбит/с (приводим стандартные значения, а не те «рекордные», которые достигаются в исследовательских лабораториях). Затухание в одномодовом волокне также крайне низкое (менее 0,4 дБ/км).

Диапазон длин волн для одномодового волокна достаточно широк. Обычно передача осуществляется на длинах волн 1310 и 1550 нм. При использовании технологии спектрального уплотнения каналов используются и другие длины волн (об этом чуть ниже).

Классификация. Ассортимент кварцевых одномодовых волокон весьма разнообразен. Международный стандарт ISO/IEC 11801 и европейский EN 50173 по аналогии с многомодовым волокном выделяют два больших класса одномодовых волокон: OS1 и OS2 (OS – Optical Single-mode). Однако в связи с существующей путаницей, связанной с этим делением, не рекомендуем ориентироваться на эту классификацию. Гораздо более информативными являются рекомендации ITU-T G.652-657, выделяющие больше типов одномодовых волокон.

В таблице ниже представлена краткая характеристика этих волокон и их применение. Но прежде – пара комментариев. Межмодовая дисперсия, отсутствующая в одномодовом волокне, является не единственным механизмом уширения оптического импульса. В одномодовом волокне на первый план выходят другие механизмы, прежде всего, хроматическая дисперсия, связанная с тем, что ни один источник излучения (даже лазер) не испускает строго монохроматичное излучение. При этом существует длина волны, при которой коэффициент хроматической дисперсии равен нулю. В большинстве случае работа на этой длине волны оказывается предпочтительной, но не всегда.

Тип волокна	Описание	Применение
G.652. Одномодовое волокно с несмещенной дисперсией	Наиболее распространенный тип одномодового волокна с точкой нулевой дисперсии на длине волны 1300 нм. Различают 4 подкласса (A, B, C и D). Волокна G.652.C и G.652.D отличаются низким затуханием вблизи «водного пика» («водным пиком» называют область большого затухания в стандартном волокне около длины волны 1383 нм).	Стандартные области применения.
G.653. Одномодовое волокно с нулевой смещенной дисперсией	Точка нулевой дисперсии смещена на длину волны 1550 нм.	Передача на длине волны 1550 нм.
G.654. Одномодовое волокно со смещенной длиной волны отсечки	Длина отсечки (минимальная длина волны, при которой волокно распространяет одну моду) смещена в область длин волн около 1550 нм.	Передача на длине волны 1550 нм на очень большие расстояния. Магистральные подводные кабели.
G.655. Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией	Это волокно имеет небольшое, но не нулевое, значение дисперсии в диапазоне 1530-1565 нм (ненулевая дисперсия уменьшает нелинейные эффекты при одновременном распространении нескольких сигналов на разных длинах волн).	Линии передачи со спектральным уплотнением каналов (DWDM).
G.656. Одномодовое волокно c ненулевой смещенной дисперсией для широкополосной передачи	Ненулевая дисперсия в диапазоне длин волн 1460-1625 нм.	Линии передачи со спектральным уплотнением каналов (CWDM/DWDM).
G.657. Одномодовое волокно, не чувствительное к потерям на макроизгибе	Волокно с уменьшенным минимальным радиусом изгиба и с меньшими потерями на изгибе. Выделяют несколько подклассов.	Для прокладывания в ограниченном пространстве.

Применение. Одномодовое кварцевое волокно, безусловно, является самым распространенным типом оптоволокна. С его помощью можно организовать передачу высокоскоростного сигнала на очень большие расстояния, а применение технологии спектрального уплотнения каналов (CWDM/DWDM) позволяет в разы увеличить пропускную способность линии связи. Одномодовое волокно часто применяется и на коротких дистанциях, например, в локальных сетях.

3. Пластиковое оптическое волокно (POF)

О кварцевом оптическом волокне знают практически все. Но помимо него существует еще два типа оптических волокон, заслуживающие внимания. Прежде всего, речь идет о пластиковом, или полимерном, оптическом волокне (POF – Plastic/Polymer Optical Fiber). Это многомодовое волокно большого диаметра со ступенчатым показателем преломления, сердцевина и оболочка которого изготовлены из полимерных материалов, прежде всего, из полиметилметакрилата (по-простому, оргстекла). Чаще всего можно встретить POF с соотношением диаметров сердцевины и оболочки 980/1000 мкм.

В сравнении с кварцевым волокном POF имеет очень большие потери (100-200 дБ/км). С другой стороны, минимум потерь находится в видимом диапазоне (520, 560 и 650 нм). Это, а также очень большой размер поперечного сечения, позволяет использовать в качестве источников излучения дешевые светодиоды. Большой диаметр также значительно упрощает процесс работы с пластиковым волокном. Процесс изготовления патч-корда (оптического шнура) требует меньших навыков и времени, а все необходимые приспособления имеют значительно меньшую стоимость. На рисунке ниже представлены пластиковые патч-корды с коннекторами семейства Versatile Link (VL) от компании Broadcom Limited (ранее Avago Technologies).

Таким образом, главные преимущества пластикового волокна – это низкая стоимость компонентов и простота работы с ним. При этом POF присущи все те особенности оптического волокна, которые дают ему преимущества перед другими видами связи. В их числе невосприимчивость к электромагнитному излучению и изолирующие свойства (защита от высоких напряжений), меньшие габариты и вес.

Классификация. Хотя выпускаемые пластиковые волокна отличаются по размеру, используемым полимерам, профилю показателя преломления и другим параметрам, подавляющую часть всех пластиковых волокон составляет POF 980/1000 мкм из полиметилметакрилата.

Применение. Область применения POF – короткие низкоскоростные линии связи (до 200 Мбит/с на несколько десятков метров). Преимущества POF проявляются в тех случаях, когда простота эксплуатации и низкая стоимость линии связи важнее, чем характеристики самой передачи. POF часто используется в промышленных линиях связи, автомобильной электронике, медицине и разного рода датчиках. Кроме того, пластиковое волокно может с успехов применяться и в различных специальных/корпоративных сетях передачи данных, например, для связи в пределах квартиры или офиса (к слову, эта область применения в России пока только начинает развиваться).

4. Кварцевое волокно с полимерной оболочкой (HCS)

И, наконец, последний тип оптического волокна, с которым мы бы хотели познакомить читателей, представляет собой нечто среднее (во всех отношениях) между кварцевым и пластиковым волокном. У этого типа волокна много названий, но мы привыкли называть его кварцевым волокном с полимерной (жесткой) оболочкой и обозначать HCS (Hard Clad Silica). Также распространена аббревиатура PCS (Polymer Clad Silica).

HCS-волокно – это многомодовое оптическое волокно большого диаметра с сердцевиной из кварцевого стекла и оболочкой из полимерного материала. Наибольшее распространение в телекоммуникациях получило HCS-волокно с диаметром сердцевины и оболочки 200/230 мкм и ступенчатым показателем преломления. В других областях, таких как медицина и научные исследования, могут использоваться HCS-волокна с бо́льшим диаметром сердцевины (300, 400, 500 мкм…).

По своим оптическим характеристикам HCS-волокно также занимает промежуточное положение между кварцевым оптоволокном и POF. Минимум затухания стандартного HCS-волокна приходится на длину волны 850 нм и составляет единицы-десятки дБ/км. Для работы с HCS-волокном часто можно использовать те же активные компоненты, что и для POF (с длиной волны 650 нм) или для многомодового кварцевого волокна (светодиоды с длиной волны 850 нм).

Достаточно большой размер HCS-волокна, как и в случае POF, упрощает и удешевляет процесс работы с ним.

Классификация. Как уже упоминалось, в телекоммуникациях в основном используется HCS-волокно 200/230 мкм.

Применение. В целом, области применения HCS схожи с областями применения POF, с той лишь только разницей, что расстояние передачи при использовании HCS-волокна увеличивается до нескольких километров (благодаря меньшему затуханию).

Заключение

Подведем итоги. Как видим, зачастую выбор оптического волокна для создания линии связи не ограничивается выбором одномод VS многомод. Ассортимент оптических волокон достаточно разнообразен, и в зависимости от ситуации наилучшим решением может оказаться использование того или иного типа волокна из тех, что были описаны в данной статье.

Напоследок благодарим всех читателей за внимание. Надеемся, что статья оказалась не только познавательной, но и полезной (или окажется таковой в будущем). С нетерпением ждем комментариев и вопросов.

Классификация оптического волокна

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) применяются в основном для прокладки магистральных линий связи для передачи данных на расстояния в несколько километров. Но также используются и в сетях связи в пределах одного предприятия в составе СКС.

Такое широкое применение обеспечено высоким уровнем защищенности ВОЛС и низким затуханием. При отличных технических характеристиках есть еще один неоспоримый плюс — простота прокладки оптоволоконного кабеля.

Оптоволокно имеет множество видов и классифицируется по разным признакам.

Классификация по типу волокон

Зачастую волокна подразделяют на две большие группы: многомодовые и одномодовые.

Одномодовые оптические волокна характеризуются небольшим диаметром сердцевины от 8 до 10 мкр. Благодаря этому излучение распространяется в одной моде, исключая межмодовую дисперсию. Такой вариант идеально подходит для организации телефонных линий и кабельного телевидения.

Одномодовое оптоволокно бывает трех видов:

• Стандартное — ступенчатое, с несмещённой дисперсией.
• Со смещённой дисперсией. Показатель затухания этого варианта минимален.
• С ненулевой смещённой дисперсией.

Многомодовые кабели отличаются значительно большим диаметром – 50-62,5 микрон. Из-за такого размера кабель имеет несколько мод излучения, каждая из которых распространяется под своим углом. Вследствие этого импульс из абсолютно прямоугольного преобразуется в колоколоподобный.

Все кабели с несколькими модами подразделяются на два вида:

• Ступенчатые, где преломление осуществляется скачкообразно.
• Градиентные, где преломление возрастает от центра краю.

Классификация по материалу изготовления

Существует три типовых варианта конструктива сердцевины и внешнего слоя оптического волокна:

• Стекло — стекло;
• Пластик – пластик;
• Стекло – пластик.

Самым популярным видом является цельностеклянное изготовление. При производстве используют диоксид кремния и расплавленный кварц. Для получения различных характеристик добавляются германий, фосфор или бор.

Второй тип имеет более низкие показатели по сравнению с первым – его пропускная способность существенно ниже. Однако, прокладка оптоволоконного кабеля, состоящего полностью из пластика популярна из-за существенно сниженной стоимости.

На сегодняшний день третий тип практически не используется.

Классификация по месту прокладки

Прокладка ВОЛС может осуществляться по двум каналам:

• Наружный – на воздухе, под водой, в грунте.
• Внутренний – внутри зданий.

В зависимости от окружающей среды используются кабели с различными дополнительными функциями. Например, для укладки под водой используется многослойный кабель, для прокладки оптоволоконного кабеля под землей – используется модель с защитой из железных проволок.

Какие оптические волокна применяются для прокладки магистральных линий связи

• Назначение
• Область применения
• Какие бывают типы оптических волокон в ВОЛС?
• ВОЛС – классификация, разновидности, конструкция
• Характеристики типов оптического волокна
• Достоинства и недостатки
• Как выполняется сварка?

Назначение

Кабель ВОЛС — это один из наиболее современных и хороших в мире способов быстро передавать данные на большие расстояния. При этом разработка совсем не уникальная — она появилась еще в конце XXстолетия и с этих пор эффективно развивается.

Люди активно общаются, совершенствуют быт и экономику, так что скорость передачи данных должна быть высокой. В настоящее время этот кабель использует множество интернет-провайдеров. У него нет побочных эффектов, таких, как ухудшение качества сигнала на большой дистанции и перегрев. На него не влияют блуждающие токи.

Область применения

При этом на уровне межконтинентальных и магистральных линий передачи сигналов оптоволокно уже сейчас значительно вытесняет конкурентов, а в подсистемах внутренних магистралей ВОЛП ещё применяется вместе с витой парой.

Чтобы транслировать сигнал, в ВОЛС используются волны в оптическом (наиболее часто в ближнем инфракрасном) диапазоне.

Ключевая сфера использования ВОЛС — это сети передачи информационных сигналов — вычислительные, видеонаблюдения, телекоммуникационные системы контроля доступа и так далее.

Говоря попросту – ВОЛС помогают локально объединять рабочие места, обеспечить качественную работу Интернета и телефонии и т. д. и т. п.

Какими бывают типы оптических волокон в ВОЛС?

Оптические волокна, применяемые для построения ВОЛС, имеют отличия по световой структуре и материалу, из которого выполнены.

Касаемо материала они бывают: абсолютно стеклянными (то есть и центр, и оптическая оболочка в них стеклянные), абсолютно пластиковые или комбинированные (в таком случае центр там получается из стекла, а оболочка — из пластика).

По вариантам путей, которые свет проходит в сердцевине волокна, они делятся на одномодовые и многомодовые.

В одномодовых проходит один луч света. А во многомодовых — от десятков до сотен и тысяч.

Одномодовые волокна сокращённо обозначаются SM. У них небольшой диаметр сердцевины, пропускающий лишь один пучок света.

Многомодовые же сокращённо маркируются ММ. У них диаметр, соответственно, больше и профиль бывает градиентным или ступенчатым.

В ступенчатом варианте моды, или пучки света, проходят по разным траекториям и к концу световода подходят в разное время.

А если профиль градиентный, то задержки разных лучей по времени почти устраняются, и пучки света проходят плавно из-за изменения скорости перемещения света по спиралям.

И одномодовые, и многомодовые волокна, используемые в настоящее время, имеют диаметр в 125 мкм. Толщина первичного защитного буферного в них покрытия — 250 мкм, а вторичного — уже 900.

Чтобы было удобнее работать, у всех волокон оболочку кабелей красят различными цветами.

ВОЛС – классификация, разновидности, конструкция

Ключевая составляющая в ВОЛС всегда – именно сам оптический кабель. А, помимо него, сеть включает различные компоненты, чтобы усиливать, фильтровать, защищать или изменять сигнал – в зависимости от того, куда и с какой целью прокладывается кабель. Соответственно этому они и классифицируются.

Различают следующие виды таких кабелей для волоконно-оптических линий связи:

Оптический кабель для внутреннего монтажа.

Для размещения в кабельные каналы (подвиды — без брони и бронированный).

Для размещения в грунте (иначе говоря, подземный).

Подвесной (с тросом или без).

Кабель, прокладываемый под водой.

ВАЖНО. Проще всего устроен кабель для внутреннего монтажа и обычный без брони. Наиболее сложно устроены подводный и подземный.

Ниже подробнее рассматривается каждый вид.

Такие кабели включают в себя: оптоволокно, защитный слой, силовую часть конструкции (скажем, трос). Также важно, чтобы они были устойчивы к огню и не выделяли дыма. Оболочка обязательно должна быть полиуретановой и ни в коем случае — полиэтиленовой. Важны небольшой вес, малая толщина и способность гнуться. Пригодится и защищённость против воды.

В помещениях обычно провода кладутся недалеко, так что вопросы затухания сигнала и эффективности передачи не рассматриваются. Количество оптоволокна в кабелях — не более 12. Есть гибридные варианты, в которые включена витая пара.

Далее о вариантах, монтирующихся в кабельные каналы.

Первый вариант — без брони — предполагает, что отсутствуют физические воздействия извне.

Обычно это бывает в тоннелях и под домами.

Кабель кладется в полиэтиленовых трубах, особенной лебедкой или ручным способом. Обязательно должен быть гидрофобный наполнитель, чтобы защитить от жидкости.

Второй вариант — с бронёй — допускает наличие физических воздействий снаружи, скажем, растягивающих.

Броня бывает разной.

Например, вариант в виде ленты подходит, когда нет влияния агрессивных веществ. Если такие влияния возможны, скажем, на речном дне или в земле — лучше использовать броню из проволоки.

Обычно броня состоит из гофрированной или гладкой стальной трубы, имеющая толщину стенок в четверть миллиметра. Гофрирование необходимо обязательно, т. к. защищает волокно от грызунов и повышает возможность кабеля гнуться.

Теперь о кабеле, который кладётся в почву. Применяемая броня — чаще проволочная; значительно реже выбирается вариант с усиленной ленточной бронёй, но он оказался куда менее востребованным.

Когда волокно кладётся в землю, используют кабелеукладчик.

Если прокладывание в грунт выполняется в холоде, а температура минус 10 градусов, то кабель нужно перед этим погреть.

Если почва мокрая, то нужен кабель с герметичным оптоволокном в трубке из металла, проволочная броня предварительно обрабатывается специальным составом для усиленного сопротивления влаге. Мастера рассчитывают все, что нужно, по укладке кабеля, а именно возможные растяжения, нагрузки и т. д., чтобы избежать его повреждений через какое-то время и порчи кабеля.

Броня влияет на максимум возможной нагрузки при растяжении. Оптоволокно с проволочной бронёй предполагает максимум нагрузки в 80 кН, а с ленточной же — не превышающей 2,7 кН.

Оптоволоконный, подвесной, без брони. Эти ставятся на опоры линий питания и связи. Их установка обычно значительно легче, чем в почву.

У них круглое сечение. Так нагрузки от ветра на них меньше. Между опорами расстояние не должно превышать 100 метров.

Конструкция включает специальный силовой элемент, а именно стеклопластик. Подобный силовой элемент позволяет кабелю крайне эффективно выдерживать даже очень значительные нагрузки, которые окажутся направлены вдоль него.

Дополнительно могут быть задействованы силовые элементы как арамидные нити, их используют, если расстояние между столбами менее тысячи метров. У армавидных нитей есть немало неоспоримых преимуществ. Кроме малой массы и прочности, это так называемые диэлектрические свойства. То есть если в кабель ударит молния, ничего страшного не случится.

У таких кабелей различаются сердечники:

Если сердечник в виде профиля, то кабель хорошо сопротивляется давлению и растягиванию.

Если кабель с модулем скрученного вида, то он хорошо сопротивляется именно растягиванию.

Если у сердечника внутри только оптоволокно, то это бюджетный вариант, который неудобно идентифицировать, но имеет некоторую востребованность именно из-за небольшой цены.

Кабели с тросом — самонесущие. Прокладываются по воздуху. Тросы существуют несущие или навивные.

Есть варианты, когда оптоволокно расположено внутри молниезащитного троса. Усиленный профильным сердечником кабель весьма эффективен.

Трос состоит из стальной проволоки в оболочке, соединенной с кабельной оплеткой. Свободное место заливается гидрофобным веществом. Подобные кабели кладутся, если расстояние между столбами не более семидесяти метров. На линию электрического питания прокладывать их нельзя.

Отдельно стоит сказать про вариант укладки под водой — именно из-за особых условий он значительно отличается от других.

Обычно подводные кабели имеют броню, по конструкции различающуюся соответственно глубине прокладки и рельефу дна. Варианты брони — одинарная, усиленная, усиленная двойная или без неё вообще.

На изображении выше цифрами отмечены: 1 – полиэтиленовая изоляция, 2 – покрытие из майлара, 3 – двойная броня из проволоки, 4 – алюминиевая гидроизоляция, 5 – поликарбонат, 6 – трубка в центре, 7 – специальный гидрофобный заполнитель и 8 – само оптоволокно.

Характеристики типов оптического волокна

Достоинства и недостатки

Ключевые преимущества таких волокон следующие:

Благодаря малому затуханию сигнала информацию можно передавать на куда большие расстояния без использования усилителей. Кабели немного весят и объём у них, соответственно, тоже небольшой. Линии таких кабелей обычно не оказывают друг на друга вредного экранирующего воздействия.

Если кабель выполнен по всем правилам, то он хорошо сопротивляется влаге, взрывам, пожарам. Сохранность информации тоже надёжная — по оптоволокну она перемещается из точки в точку, при этом перехват возможен лишь через физическое вмешательство прямо в ЛЭП, на что не подготовленный специально человек не способен.

Предоставляет возможность легко наращивать вычислительные мощности локальных сетей.

Совершенно незначительный уровень шума.

Именно за этой технологией будущее (или как минимум настоящее), так что целесообразность использования именно её в настоящее время не может вызывать каких-либо серьёзных сомнений.

Но нельзя не отметить и значимые недостатки:

Например, ВОЛС в стандартном варианте плохо сопротивляется радиации (хотя есть легированные волокна, у которых с этим значительно лучше).

Оконечное оптическое оборудование в сравнении с аналогичными подобными способами передачи информации значительно дороже. Но здесь всё не так однозначно: если сравнивать конечную стоимость и эффективность результата — ВОЛС выигрывает. То есть в целом это даже, напротив, достоинство – экономичность.

А вот если линия, несмотря на защищённость и эффективность, всё-таки оборвётся, то восстановить связь окажется потруднее.

Для интерфейсного оборудования относительно непросто преобразовывается сигнал.

Волокно всё же довольно хрупкое и не исключает при слишком больших изгибах появления трещин и разрушений.

Как выполняется сварка?

Сварка оптоволокна проходит с применением особого типа сварочных аппаратов.

В его состав входят микроскоп, фиксирующие волокна зажимы, дуговая сварка, камера термоусадки и выполняющий контроль и управление микропроцессор.

Сварка вкратце проходит так:

Оболочка снимается стриппером.

Проходит подготовка. На концы волокон надевают гильзы и обезжиривают с помощью спирта. Потом эти концы скалываются под нужным углом с применением необходимого инструмента.

Волокна кладутся в аппарат.

Потом выравниваются. Если управление автоматическое, то и положение волокон ставится автоматически. После подтверждения сварщика волокна сваривают особым аппаратом. Если ручное управление, то все операции вручную выполняет специалист. При сварке волокна плавят дугой электрического тока, соединяют. Потом, чтобы не было внутренних напряжений, прогревается свариваемое масло.

Проверяется качество. Автомат сварки выполняет анализ картинки сварочного места с помощью микроскопа. Более точный результат выдаёт рефлектометр.

Затем свариваемое место обрабатывается и защищается. Надетая гильза сдвигается на сварку и кладётся в термоусадочную печь на 60 секунд. Потом гильза остывает, кладётся в защитную пластинку муфты и происходит наложение запасного оптоволокна.

Что такое оптоволоконный кабель

Для передачи данных сегодня широко используются оптоволоконные кабели. В некоторых областях IT они полностью вытеснили традиционные линии связи на основе металлических проводников. Особенно эффективны оптические линии там, где большие объёмы данных надо передавать на большие расстояния.

Физические основы работы оптоволокна

В основе физических принципов работы оптического волокна лежит принцип полного отражения. Если взять две среды с различными коэффициентами преломления n₁ и n₂, причем n₂< n₁ (например, воздух и стекло или стекло и прозрачный пластик) и пустить луч света под углом α к границе раздела, то произойдут два события.

Луч (на рисунке обозначен красным цветом), пущенный сверху слева (по стрелке), частично преломится и пойдет по среде с коэффициентом преломления n₂ под углом α₁<α – эта часть луча обозначена штриховой линией. Другая часть луча отразится от границы раздела под тем же углом. Если пустить луч под более пологим углом β (зеленый луч на рисунке), то произойдет то же самое – частичное отражение и частичное преломление под углом β₁.

Если угол падения α уменьшить еще (синий луч на рисунке), то можно добиться, чтобы преломленная часть луча «скользила» практически параллельно границе раздела сред (синяя штриховая линия). Дальнейшее уменьшение угла падения (зеленый луч, падающий под углом β) вызовет качественный скачок – преломленная часть будет отсутствовать. Луч полностью отразится от границы раздела двух сред. Этот угол называется углом полного отражения, а само явление – полным отражением. То же самое будет наблюдаться и при дальнейшем уменьшении угла падения.

Устройство оптического волокна

На этом принципе построено оптическое волокно. Оно состоит из двух коаксиальных слоев с разной оптической плотностью.

Если в открытый торец волокна попадает световой луч под углом, большим угла светового отражения, он будет отражаться от границы контакта двух сред с разным коэффициентом преломления полностью, с малым затуханием при каждом «скачке».

Внешняя часть оптоволокна изготавливается из пластика. Внутренняя может также быть выполнена из прозрачного пластика, тогда его можно гнуть под достаточно большими углами (даже сворачивать в кольцо, и свет, попавший внутрь, все равно пройдет от одного торца до другого с затуханием, зависящим от оптических свойств пластика и длины световода). Для магистральных кабелей, где гибкость не так важна, внутреннюю жилу обычно делают из стекла. Так уменьшается затухание, уменьшается стоимость световода, но он становится чувствительным к изгибам.

Для увеличения пропускной способности оптической линии волокно выпускают в двухмодовом или многомодовом исполнении. Для этого сечение сердечника увеличивают до 50 мкм или 62,5 мкм (против 10 мкм у одномодового). Через такой световод одновременно может передаваться два или более сигналов.

Такое построение оптической линии передачи имеет определенные недостатки. Один из них – световая дисперсия, вызванная разным маршрутом прохождения каждого сигнала. С ней научились бороться, выполняя сердечник с градиентным (меняющимся от середины к краям) коэффициентом преломления. За счет этого маршруты разных лучей корректируются.

Кабели с многомодовыми волокнами применяются большей частью для локальных сетей (в пределах одного здания, одного предприятия и т.п.), а с одномодовыми – для магистральных линий.

Устройство оптоволоконной линии

По ВОЛС передается световой сигнал, создаваемый светодиодом или лазером. В передающем устройстве формируется электрический сигнал. Конечному прибору также нужен сигнал в виде электрических импульсов. Поэтому потребуется дважды преобразовать исходные данные. Упрощенная схема оптоволоконной линии показана на рисунке.

Сигнал от передающего устройства преобразовывается в световые импульсы и передается по оптической линии. Мощность излучателей на передающей стороне имеет ограничения, поэтому на линиях большой протяженности через определенные промежутки ставятся устройства, компенсирующие затухание – оптические усилители, регенераторы или повторители. На приемной стороне стоит другой преобразователь, который трансформирует оптический сигнал в электрический.

Конструкция оптического кабеля

Для организации волоконно-оптической линии отдельные волокна используются в составе оптического кабеля. Его конструкция зависит от назначения линии передач и способа прокладки, но в целом он содержит несколько оптоволокон с индивидуальным защитным покрытием (от царапин и механических повреждений). Такая защита обычно выполняется в два слоя – сначала оболочка из компаунда, а сверху — дополнительное покрытие из пластика или лака. Волокна заключаются в общую оболочку (подобно обычным электрическим кабелям), которая определяет область применения кабеля и выбирается с учетом внешних воздействий, которым будет подвергаться линия в процессе эксплуатации.

При прокладке в кабельных лотках существует проблема защиты линий от грызунов. В этом случае надо выбирать кабель, внешняя оболочка которого усилена стальной лентой или проволочной броней. Также в качестве защиты от повреждения используются стеклонити.

Если кабель прокладывается в трубе, усиленная оболочка не нужна. Металлическая трубка надежно защищает от зубов мышей и крыс. Внешнюю оболочку можно выполнить облегченной. Так удобнее затягивать кабель внутри трубы.

Если предстоит прокладывать линию в грунте, защиту выполняют в виде проволочной брони, защищенной от коррозии, или стеклопластиковых прутьев. Здесь обеспечивается высокая стойкость не только на сдавливание, но и на растягивание.

Если кабель надо прокладывать на участках моря, через реки и прочие водные преграды, по болотистому грунту и т.п., применяется дополнительная защита из алюмополимерной ленты. Так осуществляется сохранность от проникновения воды.

Также многие кабели внутри общей оболочки содержат:

• армирующие стержни, служащие для придания конструкции большей прочности при внешних механических воздействиях и при тепловом удлинении линии;
• заполнители – пластиковые нити, заполняющие пустые области между волокнами и другими элементами;
• силовые стержни (их назначение – увеличивать нагрузку на разрыв).

В больших по длине пролетах линии подвешивается на тросе, но существуют самонесущие кабели. Несущий металлический трос встраивается непосредственно в оболочку.

В качестве отдельного типа волоконно-оптической линии надо упомянуть оптический патч корд. Этот кабель содержит одно или два волокна (одномодовых или двухмодовых), заключенных в общую оболочку. С обеих сторон шнур оснащается коннекторами для подключения. Такие кабели имеют небольшую длину и предназначены для соединения оборудования на небольшом расстоянии или прокладки внутришкафных коммуникаций.

Достоинства и недостатки оптических кабелей

К несомненным плюсам оптических кабелей, определившим широкое распространение таких линий связи, относятся:

• высокая помехозащищенность – на световой сигнал не оказывает воздействие бытовое и промышленное электромагнитное излучение, да и сама линия не излучает (это затрудняет несанкционированный доступ к передаваемой информации и не создает проблем электромагнитной совместимости);
• полная гальваническая развязка между приёмной и передающей стороной;
• малый уровень затухания – намного меньше, чем у проводных линий;
• длительный срок службы;
• большая пропускная способность.

В современных реалиях имеет значение также то, что кабель не привлекает похитителей металла.