Конструкция и классификация волоконно-оптических кабелей
Волоконно-оптический кабель – это кабель, изготовленный на основе волоконных световодов и предназначенный для передачи в линиях связи оптических сигналов в виде света.
Основными элементами волоконно-оптического кабеля являются:
- Несущий трос, представляющий собой пруток металла или стеклопластика, который покрыт полиэтиленом. Он предназначен для центрирования трубок.
- Двухслойные пластиковые или стеклянные волокна, иногда покрытые лаком, который предохраняет их от повреждений и используется для цветовой маркировки волокон.
- Пластиковые трубки, которые содержат световоды и заполнены гидрофобным гелем.
- Плетка, оплетающая трубки и обладающая демпфирующими свойствами, предназначенная для уменьшения трения внутри кабеля и дополнительной защиты от влаги.
- Тонкий слой полиэтиленовой оболочки, предназначенной для дополнительной защиты от влаги (может отсутствовать).
- Слой брони или кевларовых нитей. Броня представляет собой пруток или круглые проводки, которые изготавливаются из гвоздевого железа, стеклопластика или стали. Броня предназначена для защиты кабеля, который уложен в грунт. Особенность кевлара - небольшой вес и допустимое растягивающее усилие 6-9 кН. Назначение кевлара заключается в выполнении функции тросика в тех местах, где могут возникнуть наводки.
- Слой полиэтиленовой пленки с гидрофобным гелем, предназначенный для дополнительной защиты от влаги.
- Слой мягкой и толстой оболочки из полиэтилена, назначение которой заключается в защите внутренних слоев кабеля от воздействий окружающей среды.
Оптические кабели классифицируются по:
- Условиям прокладки (подвес, укладка в грунт, прокладка кабельной канализации, прокладка под водой).
- Материалу волокна (GOF и POF кабели).
- Месту монтажа (для наружного или внутреннего монтажа).
Расчет основных параметров волоконно-оптического кабеля
Основной составляющей оптического кабеля является оптическое волокно, которое изготавливается на основе чистого кварцевого стекла. Оно имеет двухслойную конструкцию, состоящую из сердцевины и отражающей оболочки с фазовыми показателями преломления.
К основным параметрами оптического кабеля относятся коэффициент затухания, абсолютная разность преломлений отражающей оболочки и сердцевины, критическая длина волны, относительная разность показателей преломления, критическая частота, числовая апертура световода, нормированная частота. Абсолютная разность преломлений сердцевины и отражающей оболочкой рассчитывается по следующей формуле:
$n = n1-n2$
где: n1 - показатель преломления сердцевины; n2 - показатель преломления отражающей оболочки.
Относительную разность показателей преломления можно рассчитать следующим образом:
Рисунок 1. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Числовая апертура волокна – это синус наибольшего угла падения по отношению к оси волокна, при котором свет входит в сердцевину волокна и затем распространяется по нему.
Числовая апертура для световода со ступенчатым профилем может быть рассчитана по формуле:
Рисунок 2. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Для расчета нормированной частоты используется формула:
$V=2*п*а*NA/Л$
где: п = 3,14; Л - рабочая длина волны.
Критическая частота, измеряемая в герцах, рассчитывается следующим образом:
$fкр = Pnm*c*n/(п*d*NA)$
где: Pnm - значение корней функции Бесселя для разных мод. d - диаметр сердцевины оптического кабеля.
Критическая длина волны может рассчитываться по формуле:
$Лкр = п*d*NA/(Pnm*n1)$
Процесс затухания оптического кабеля обусловлен собственными потерями в оптических волокнах, а также дополнительными потерями, которые возникают в результате их деформации и изгибов в процессе изготовления, прокладке, а также эксплуатации кабеля. Таким образом затухание кабеля рассчитывается по формуле:
$aк = ас-адоп$
где: ас - собственные потери в волокне; адоп - дополнительные потери в волокне
Собственные потери волокон представляют собой сумму потерь на поглощения и рассеяние:
$ас = ап+ар$
Потери на поглощение рассчитываются следующим образом:
$ап = 8,69*n1*tgq/Л$
где: tgq - тангенс угла диэлектрических потерь материала, из которого сделана сердцевина
Формула для расчета потерь на рассеяния выглядит следующим образом:
Рисунок 3. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
где Кр - коэффициент рассеяния материала сердцевины.
Дополнительные потери оптического кабеля обусловлены деформацией оптического волокна в процессе эксплуатации, производства и прокладки:
$ак = а1+а2$
где: а1, а2 - дополнительные потери вследствие микроизгибов оптического волокна.
Еще одним важным параметром оптического кабеля является дисперсия - увеличение продолжительности импульса оптического излучения в случае его распространения по оптическому волокну благодаря рассеянию во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала.
