Физические основы распространения оптического излучения по оптическим волокнам

Лекция 1 Физические основы распространения оптического излучения по оптическим волокнам Основным элементом волоконно-оптического кабеля (ВОК) является волоконный световод (ВС). Волоконный световод или оптическое волокно (ОВ) – это оптический волновод ВОСП, предназначенный для направленной передачи оптического излучения, выполненный в виде тонкой стеклянной нити цилиндрической формы с круглым поперечным сечением. Оптическое волокно состоит из сердцевины, одной или нескольких оболочек и одного или нескольких защитных покрытий. Сердцевина ОВ – это центральная область ОВ, через которую передается основная часть оптической мощности сигнала. Среднее значение показателя преломления (ПП) оболочки меньше среднего значения в сердцевине. В ОВ применяются однородные и депрессированные оболочки. У однородных оболочек значение ПП постоянное, у депрессированных переменное. Диэлектрическим материалом для сердцевины и оболочки ОВ служит плавленый кварц (кварцевое стекло), чистый или с примесями химических элементов и их соединений, небольшие пропорции которых способствуют изменению оптических свойств плавленого кварца должным образом. Плавленый кварц – это аморфное, прозрачное вещество с химической формулой SiO2 . Как известно свет имеет двойственную природу: волновую и корпускулярную. Эффект волноводного распространения света в прозрачной диэлектрической среде, показатель преломления которой больше показателя преломления окружающей среды, был продемонстрирован Тиндаллом на примере водяной струи в 1870 г. во время чтения лекции в Королевском институте. Явление преломления света на границе раздела двух сред с разными показателями преломления, которое подчиняется закону Снелля, сформулированному в 1621 г., показано на рисунке 1. n 1 >n 2  n2 n1  Рис. 1. Явление преломления света. Если выполняются условия 0<  <  с и 0<   <  2 , то справедливо следующее соотношение: n1  sin  n2  sin  , где  и   – соответственно углы падения и преломления. При критическом угле    с , то есть при таком угле падения, при котором угол преломления     2 , получим n1  sin  c  n 2 . Если угол падения    с , имеет место явление полного внутреннего отражения, не сопровождающееся какими-либо потерями на границе раздела (преломленный луч отсутствует). Далее рассмотрим цилиндрическое стеклянное волокно, состоящее из внутренней сердцевины с показателем преломления n1 и окружающей ее оболочки с показателем преломления n 2 , причем выполняется условие n1  n2 . Торец волокна срезан под прямым углом к его оптической оси. С торца из окружающего воздуха в волокно входит луч света (рисунок 2). n2 m m c C A n1 B Рис. 2. Ход лучей в оптическом волокне. Этот луч будет распространяться вдоль волокна путем многократных отражений от границы сердцевина - оболочка и не будет ослабляться при условии, что угол падения луча на границу раздела  будет больше критического угла  с . Для выполнения этого условия необходимо, чтобы угол наклона луча к оптической оси волокна    2   был меньше  m   2   c , а угол падения  луча на торец волокна был менее определенной величины  m . Для определения величины углов  m и  m воспользуемся законом Снелля, приняв показатель преломления окружающей среды за 1: sin   n1  sin   n1  cos . При угле падения, равном критическому, sin  m  n1  sin  m  n1  cos c . Воспользуемся формулой, справедливой для критического угла, и выразим sin  m через показатели преломления сердцевины и оболочки: n1  sin  c  n 2 ; n cos c  1  sin  c  1   2  n1 2 sin  m  2     n12  n22 . Введем обозначения n  n1  n2 и n  n1  n2 . 2 n12  n22 n1 ; В результате получим sin  m  2 n  n . Чем больше угол  m , тем большая часть падающего на торец волокна света может быть введена в волокно и будет в нем распространяться за счет полного внутреннего отражения. Величину na  sin  m , где n a - показатель преломления окружающей среды и равен 1, называют числовой апертурой волокна (NA). Числовая апертура – это характеристика предельного значения угла, при вводе под которым в волокно свет еще сохраняет возможность распространяться вдоль оптического волокна. Таким образом (NA)= 2n  n . Очевидно, что для эффективного ввода излучения в волокно необходимо обеспечить большие значения n и n . Для изготовления подобного волокна нужно использовать стекло с большим показателем преломления и не покрывать его оболочкой. Но при этом возникают две проблемы. Первая состоит в том, что при полном внутреннем отражении часть волны света проникает сквозь отражающую поверхность. Она называется затухающей волной. Ее амплитуда уменьшается экспоненциально с увеличением расстояния от поверхности волокна и поэтому обычно не может распространяться в среде с более низким показателем преломления. Однако наличие всяких неровностей и неоднородностей на отражающей поверхности может привести к преобразованию затухающей волны в волну распространения. В результате значительная доля распространяющейся в волокнах мощности выводится из них, что и приводит к большим потерям. Вторая проблема связана с тем, что любой короткий световой импульс, введенный в волокно, состоит из ряда лучей, которые распространяются вдоль оси волокна и по траекториям, наклоненным к ней. Так как значение показателя преломления колеблется в некоторых пределах, соответственно по формуле   с n скорость распространения также непостоянна. Таким образом, одновре- менно введенные в волокно лучи окажутся разделенными во времени на интервал T на выходе:   n T   1   l  n .  n2  c В результате световой импульс, содержащий лучи под всеми возможными углами, окажется размытым во времени в процессе своего распространения по волокну на величину T l    n1     n . n2  c Покрытие сердцевины волокна стеклянной оболочкой, имеющей немного меньший показатель преломления, приводит к возникновению трех эффектов: 1) если покрытие имеет высокое качество и толщину, достаточную для удержания затухающей волны, то оно существенно уменьшает потери; 2) уменьшение временной дисперсии; 3) уменьшение вводимой в волокно мощности света. Конструкция оптических волокон, применяемых в телекоммуникациях, и их классификация В одномодовых оптических волокнах (SM ОВ) диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны, и за счет этого в нем существует только одна основная направляемая мода LP01. P(t) t1 t2 импульс импульс на входе на выходе Рис. 3. Распространение основной моды LP01 в ступенчатых одномодовых волоконных световодах. В соответствии с рекомендациями МСЭ-Т в настоящее время различают четыре типа одномодовых оптических волокон (рис. 4): - волокна с нулевой дисперсией (стандартные волокна SSF) – рек МСЭ-Т G.652; - волокна со смещенной дисперсией (DSF) – рек. МСЭ-Т G.653; - волокна с минимизацией потерь на длине волны 1550 нм (Low Loss) – рек. МСЭ-Т G.654; - волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF) – рек. МСЭ-Т G.655. кварцевые одномодовые оптические волокна сердцевина 6…10 мкм оболочка 125 мкм акриловое покрытие 250 мкм Рекомендации ITU-T: G.652 SSF G.653 DSF G.654 Low Loss G.655 NZDSF Рис. 4. Геометрические параметры одномодовых оптических волокон. Стандартные одномодовые оптические волокна Стандартные одномодовые оптические волокна также называют волокнами с нулевой дисперсией и волокнами с несмещенной дисперсией (рек. МСЭТ G.652) характеризуются нулевой хроматической дисперсией на длине волны 1310 нм. Это основной тип одномодовых оптических волокон, который применяется на сетях связи для различных приложений. В настоящее время в литературе используются следующие сокращения для обозначения одномодовых волокон данного типа: SSF – Standard Singlemode Fibers – стандартные одномодовые оптические волокна; SSMF – Standard Singlemode Fibers – стандартные одномодовые оптические волокна; SF – Standard Fiber – стандартные оптические волокна; SM – Singlemode – одномодовые оптические волока; USF – Usual Singlemode Fibers – «обычные» одномодовые оптические волокна; NDSF – Non Dispersion Shifted Fiber – оптические волокна с несмещенной дисперсией. Здесь и далее будем использовать аббревиатуру SSF. Около 90% наземных ВОЛП построены на основе волокон SSF, а общая протяженность ВОЛП с волокнами данного типа достигает сотни миллионов километров. SSF являются наиболее «зрелым» (выпускаются с 1983 г.) и наиболее дешевым (~25 $/км) типом оптических волокон. В таблице 1 представлены ведущие производители оптических волокон SSF, а также их соответствующие торговые марки. Волокна SSF характеризуются наиболее простой формой профиля показателя преломления – ступенчатой (рис. 5). Длина волны нулевой дисперсии совпадает со вторым окном прозрачности (=1310 нм) – при этом коэффициент затухания  не превышает 0,35 дБ/км, а коэффициент хроматической дисперсии D составляет менее 3,5 пс/(нм.км). Таким образом, волокна SSF наиболее оптимальны для одномодовых ОСП, работающих во втором окне прозрачности. В свою очередь, достаточно большое значение хроматической дисперсии при =1550 нм (порядка D17 пс/(нм.км)), не смотря на минимальную величину   0,22 дБ/км, существенно ограничивает возможности использования волокон SSF на скоростях 2,5 Гбит/с и выше. В этом случае для протяженных ВОЛП требуется включение компенсаторов дисперсии. Таблица 1 Изготовитель Марка ОВ SMF-28TM Corning SMF-28eTM 6900 Alcatel 6901 Fujikura SSF MC-SM 332 Optical Fiber Solutions (OFS) Allwave Samsung Electronics SF-SMF-x SSF Sumitomo Electric Industries Ltd. PureBandTM Yangtze Optical Fiber and Cable (YOFC) 268WY Hitachi cable SSF Furukawa SSF Pirelli SMR ,% r, мкм Рис. 5. Типовой ступенчатый профиль показателя преломления одномодовых оптических волокон SSF. Типовые значения основных параметров передачи волокон SSF приведены в таблице 2. Таблица 2 Длина волны , нм 1310 1550 Коэффициент затухания , дБ/км менее 0,35 менее 0,22 не более 3,5 не более 17 9,20,4 10,40,8 мкм Коэффициент хроматической дисперсии . D, пс/(нм км) Диаметр пятна моды, W0, мкм Длина волны нулевой дисперсии, 0, нм 1302…1322 Наклон в точке нулевой дисперсии, 0,092 . 2 S0, пс/(нм км ) Волокна со смещенной дисперсией В 1985 г. был создан новый тип одномодовых оптических волокон – волокон со смещенной дисперсией DSF (Dispersion Shifted Fibers) (рек. МСЭ-Т G.653). ,% r, мкм Рис. 6. Профиль показателя преломления оптического волокна DSF Triguide (Sumsung Electronics Industries Ltd). Длина волны нулевой дисперсией у волокон DSF смещена в область третьего окна прозрачности (=1550 нм), которому соответствует минимальный коэффициент затухания. Смещение дисперсии достигается путем формирования профиля показателя преломления специальной формы, например, треугольной или W-образной треугольной (рис. 6). Предполагалось, что сочетание низкой дисперсии, малого затухания, возможности согласования с оптическими усилителями на базе волокон, легированных эрбием EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifiers), сделает эти оптические волокна идеальными для работы с одномодовыми ОСП в третьем окне прозрачности на длине волны =1550 нм. Однако последующее изучение нелинейных эффектов изменило эту точку зрения. Рынок волокон DSF составляют трансконтинентальные ВОЛП, в которых одна длина волны передается на расстояние в несколько тысяч километров, а также магистральные ВОЛП. Волокна DSF идеальны для работы в третьем окне прозрачности на одной оптической несущей. При спектральном уплотнении в области =1550 нм применение волокон DSF приводит к существенным искажениям передаваемых сигналов. По этой причине использование волокон DSF совместно с аппаратурой ОСП WDM неприемлемо. В результате в последние годы производство волокон данного типа резко снизилось. Волокна с минимизацией потерь в третьем окне прозрачности Волокна с минимизацией потерь (Low Loss Fibers) на длине волны =1550 нм (рек. МСЭ-Т G.654) являются модификацией волокон SSF с уменьшенными потерями (менее 0,18 дБ/км) в третьем окне прозрачности. Низкое затухание достигается за счет применения кварца сверхвысокой степени очистки для сердцевины, что позволяет существенно снизить потери, обусловленные поглощением на примесях, а также формирования больших значений длины волны отсечки для уменьшения чувствительности к потерям, обусловленным изгибами волокна. Условие полного внутреннего отражения требует выполнения неравенства n1>n2, поэтому при изготовлении оболочки используются такие легирующие добавки, как фтор, позволяющие уменьшить значение показателя преломления, по сравнению с исходным, соответствующим чистому кварцу. В качестве примера, в таблице 3 приведены значения параметров передачи волокон с минимизацией потерь на длине волны 1550 нм производства компании Sumitomo Electric Industries Ltd. Таблица 3 Sumitomo Electric Industries Ltd. , дБ/км D, пс/(нм.км) Z-Fiber 0,170 18,5 Z-PLUS-Fiber 0,168 20,5 Из-за трудности производства эти волокна очень дороги и крайне редко используются. Основная область применения этих волокон – трансконтинентальные ВОЛП, где они обеспечивают возможность передачи сигналов на огромные расстояния без установки активных элементов. Волокна с ненулевой смещенной дисперсией Волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (Non Zero Dispersion Shifted Fibers) – рек. МСЭ-Т G.655 – появились на рынке телекоммуникаций в 1993 г. Данный тип оптических волокон характеризуется минимальным и максимальным значением хроматической дисперсии в спектральной области третьего окна прозрачности: 0,1…6 пс/(нм.км) в диапазоне длин волн 1530…1565 нм. Управление дисперсией также осуществляется путем формирования специальной W-образной формы профиля ОВ. Световоды с профилем подобной формы также называют волокнами с двойной оболочкой (рис. 7). ,% ,% r, мкм r, мкм (а) (б) Рис. 7. W-образный профиль волокон NZDSF Corning: (а) треугольный; (б) ступенчатый. Таблица 4 Изготовитель Corning  Alcatel Fujikura Марка ОВ LEAF MetroCorTM TeraLightTM Metro TeraLightTM Ultra SSF TrueWave RS TrueWave REACH Optical Fiber Solutions (OFS) TrueWave SRS TrueWave XL UltraWaveTM IDF/SLA PureMetroTM Sumitomo Electric Industries Ltd. Yangtze Optical Fibre and Cable (YOFC) PureGuideTM LAPOSH Волокна NZDSF были специально разработаны для применения на оптических сетях с последним поколением DWDM систем с оптическими усилителями. Отрицательное значение хроматической дисперсии достаточно велико, чтобы минимизировать нелинейный эффект четырехволнового смешения, и достаточно мало, чтобы выделить для каждого оптического канала скорость передачи в 10 Гбит/с на 250 км без установки компенсаторов дисперсии и проведения других специальных мероприятий. В таблице 4 представлены ведущие производители оптических волокон NZDSF, а также их соответствующие торговые марки. Лекция 2 Потери в оптических волокнах Спектральная характеристика коэффициента затухания оптических волокон Затухание характеризует потери оптической мощности при распространении оптических сигналов в волокне. На рисунке 1 представлена эволюция спектральной характеристики коэффициента затухания оптических волокон. На характеристиках, соответствующих 1975...1980 гг. четко просматривается резкое уменьшение затухания на длинах волн, лежащих в области трех окон прозрачности (850 нм, 1300 нм и 1550 нм). Технология производства оптических волокон совершенствуется, и к 1990 г. наблюдается сглаживание характеристики по сравнению с более ранним периодом, а также яркого проявления пика поглощения на примесях ОН с максимумом при  = 1380 нм. , дБ/км , нм Рис. 1. Эволюция спектральной зависимости собственных потерь. На рисунке 2 приведена спектральная характеристика коэффициента затухания типовых кварцевых одномодовых оптических волокон. Данная характеристика имеет три ярко выраженных особенности: - общая тенденция уменьшения коэффициента затухания  с увеличением длины волны , пропорционально 1/4, что обусловлено потерями за счет Рэлеевского рассеяния; - увеличение затухания  в области спектра выше 1,6 мкм, вызванное потерями на изгиб и инфракрасным поглощением кварца; - локальные максимумы, связанные с гармониками резонанса поглощения примесей гидроксогруппы ОН–. , дБ/км 1-е окно 2-е окно 3-е окно 5 инфракрасное поглощение Рэлеевское рассеяние «водяные» пики (OH–) ультрафиолетовое поглощение , мкм Рис. 2. Типовая спектральная характеристика коэффициента затухания стандартного кварцевого одномодового оптического волокна. Волновые диапазоны Как видно из представленной на рисунке 2 спектральной характеристики для передачи оптических сигналов может использоваться достаточно широкий участок спектра, соответствующий сравнительно малым значениям . Его принято разбивать на более узкие участки – рабочие диапазоны, или окна прозрачности. Первоначально основным фактором потерь в ОВ являлась несовершенная технология очистки кварца, поэтому под окнами прозрачности понимались области длин волн вблизи узких локальных минимумов в зависимости потерь от длины волны: 850 нм (первое), 1310 нм (второе). 1550 нм (третье). Так, многомодовые оптические волокна предназначены для совместной работой ОСП в первом и втором окнах прозрачности. В свою очередь, одномодовые оптические волокна также предназначены для передачи сигналов одномодовых ОСП, функционирующих во втором окне прозрачности, при этом коэффициент затухания волокон составляет 0,35…0,40 дБ/км. Однако самое низкое затухание – около 0,20 дБ – достигается в третьем окне прозрачности в области 1550 нм. Таким образом, исторически одномодовому режиму соответствуют второе и третье окна прозрачности. С развитием технологии очистки кварца стала доступна вся область низких потерь от 1260 нм до 1675 нм. Кривая потерь выглядит гладкой (рис. 2), и локальные минимумы на ней слабо выражены. В настоящее время выделяют 6 спектральных диапазонов для одномодовых оптических волокон (табл. 1). Таблица 1 Original (основной) 1260…1360 нм Extended (расширенный) 1360…1460 нм Short wavelength (коротковолновый ) 1460…1530 нм Conventional (стандартный) 1530…1565 нм Long wavelength (длинноволновый) 1565…1625 нм Ultra-long wavelength (сверхдлинный) 1625…1675 нм Современные оптические сети, использующие технологии DWDM, активно используют диапазон C. Также постепенно осваивается четвертое окно – диапазон L. Намечается использование пятого окна – диапазон S. В результате в диапазоне длин волн 1260…1650 мкм обеспечивается полоса пропускания не менее 50 ТГц. Составляющие потерь в оптических волокнах В общем случае, потери в оптических волокнах складываются из собственных потерь в волоконных световодах с и дополнительных потерь, т.н. кабельных к, обусловленных скруткой, а также деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления оптического кабеля (рис. 3). Микроизгиб Пузырек воздуха Частица примеси Рассеяние Нерегулярности Рис. 3. Некоторые составляющие затухания оптических волокон. Собственные потери оптических волокон состоят из потерь поглощения п и потерь рассеяния р, а также потерь на поглощение, обусловленных присутствующими в световодах примесями пр и потерь на поглощение в инфракрасной области ик :    с   к   п   р   пр   к   ик , дБ/км где с – собственные потери; к – кабельные потери; п – потери на поглощение; р – потери на рассеяние; пр – потери на поглощение, обусловленные примесями; ик – потери на поглощение в инфракрасной области. Потери Рэлеевского рассеяния Потери Рэлеевского рассеяния обусловлены тепловой флуктуацией показателя преломления и неоднородностями материала световода, расстояние между которыми меньше длины волны. Свет, попадая на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях, в результате часть его теряется в оболочке. Величина потерь на рассеяние р, дБ/км, определяется по следующей формуле: р  kр 4 , где kр – коэффициент Рэлеевского рассеяния, для кварца равный примерно (0,8 мкм4 . дБ)/км. Потери на Рэлеевском рассеянии определяют нижний предел собственного затухания, соответствующий длине волны 1550 нм, и сильнее проявляются в области коротких длин волн. Коэффициент Рэлеевского рассеяния зависит от режима тепловой обработки заготовки и уменьшается при снижении температуры вытяжки волокна. Таким образом, при уменьшении температуры вытяжки до 1800оС и скорости вытяжки до 1м/с потери в оптических волокнах с легированной GeO2 сердцевиной удалось уменьшить до 0,16 дБ/км и 0,29 дБ/км на длинах волн 1550 и 1310 нм, соответственно. Дальнейшее уменьшение затухания может быть получено в оптических волокнах с так называемой депрессированной оболочкой. В световодах такого типа потери р снижаются за счет уменьшения степени легирования сердцевины. Также уменьшаются потери, возникающие из-за дефектов, появляющихся при вытяжке волокна, т.к. сердцевина и оболочка лучше согласованы по вязкости. Потери на поглощение Потери на поглощение состоят как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение) п, так и из потерь, связанных с поглощением на примесях пр. Примесные центры, в зависимости от типа примеси, поглощают свет на определенных (присущих данной примеси) длинах волн и рассеивают поглощенную световую энергию в виде джоулева тепла. Затухание поглощения определяется соотношением: п  8,69n  tg , где tg – тангенс угла диэлектрических потерь в световоде. Тем не менее, уже к 1990 г. оптические волокна становятся настолько чистыми (99,9999%), что наличие примесей перестает быть основным фактором затухания. Спектральная характеристика затухания () сглаживается (рис. 1.18), при этом проявляются локальные максимумы резонанса поглощения на гидроксильной группе ОН– (длины волн 1290 и 1383 нм). Однако в последних разработках одномодовых оптических волокон за счет улучшения технологии очистки от водяных паров удалось снизить потери и в «водяном» пике. Подобные волокна получили название LWPF (Low Water Peak Fiber), при этом потери в области =13803 нм снижены до 0,31 дБ/км, что меньше, чем потери во втором окне прозрачности. В таблице 2 приведены ведущие производители оптических волокон и соответствующие торговые марки волокон LWPF. а на рис. 4 приведены спектральные характеристики коэффициента затухания. Таблица 2 Производитель Corning  LWPF SMF-28eTM Alcatel 6901 Optical Fiber Solutions (OFS) Allwave Sumitomo Electric Industries Ltd. PureBandTM Yangtze Optical Fibre and Cable (YOFC) 268WY Pirelli SMR В качестве примера на рис. 4 приведены спектральные характеристики одномодовых оптических волокон Corning: (а) волокно SMF-28 с «водяным пиком» – в настоящее время снято с производства; (б) LWPF волокно SMF28e. нм а б (а) дБ/км а б в г д е в г д е (б) Рис. 4. Спектральные характеристики коэффициента затухания одномодовых оптических волокон Corning: (а) волокно SMF-28; (б) LWPF волокно SMF-28e. На рис. 5 представлена спектральная характеристика коэффициента затухания многомодового оптического волокна Corning 50/125. Рис. 5. Спектральная характеристика коэффициента затухания многомодового оптического волокна Corning 50/125. На длинах волн свыше 1600 нм начинают проявляться потери на инфракрасное поглощение, вызываемые колебаниями связи Si-O молекулы кварца SiO2 , а в ультрафиолетовой части спектра – из-за резонанса электронов, поэтому инфракрасное поглощение часто называют ионным, а ультрафиолетовое – электронным. Величина потерь на инфракрасное поглощение ик пропорциональна показательной функции и уменьшается с ростом частоты по закону:  к  Сe  k  , где C и k – постоянные коэффициенты (для кварца k=0,7..0,9 мкм; С=0,9). В 2002 г. рекордно минимальный коэффициент затухания  составил 0,154 дБ/км на длине волны =1568 нм (Sumitomo Electric Industries Ltd.). Предыдущий рекорд 0,154 дБ/км был установлен еще в 1986 г. и рассматривался как фактический предел. Сердцевина данного оптического волокна была изготовлена из чистого кварца, оболочка легирована фтором. Составляющие потерь принимали следующие значения: р=0,128 дБ/км; ик=0,014 дБ/км; примеси OH– : 0,004 дБ/км; несовершенство ОВ: 0,004 дБ/км. Потери в диапазоне =1520…1606 нм не превышали 0,160 дБ/км. Кабельные потери Кабельные потери к обусловлены деформацией оптических волокон в процессе изготовления и прокладки кабеля. К ним относятся следующие факторы: скрутка; микро и макро изгибы; отклонение о прямолинейности; термомеханические воздействия на ОВ при наложении оболочек и покрытий; особенности технологии производства оптического кабеля. При соблюдении технических условий (ТУ) на прокладку кабеля номинальный вклад со стороны кабельных потерь составляет не больше 20 % от полного затухания. Потери на изгибах возникают по трем причинам: - Первая причина вызвана смещением модового пятна распространяющейся моды на некоторую величину относительно оптической оси сердцевины волокна, которая зависит от радиуса изгиба. Таким образом, в точке перехода прямого световода в изогнутый часть мощности основной моды передается модам высших порядков, которые для одномодовых оптических волокон фактически являются вытекающими и излучаемыми, и в конечном счете теряется (рис. 6). - Вторя причина обусловлена тем, что в изогнутом волокне периферийная часть моды распространяется ближе к границе сердцевина/оболочка быстрее, чем основная часть в центральной области сердцевины. В результате периферийная часть моды излучается в оболочку волокна и, в конечном счете, теряется. Величина этих потерь тем больше, чем больше число витков волокна и чем меньше радиус изгиба волокна. - Третья причина потерь на микроизгибах обусловлена тем, что часть мощности основной моды передается модам высших порядков, а в многомодовых оптических волокнах мощность сигнала также теряется, поскольку направляемые моды высших порядков преобразуются в вытекающие и излучаемые (рис. 7). Излучение периферийной части мощности моды Распределение интенсивности основной моды Изогнутое ОВ Рис. 6. Факторы потерь на макроизгибе оптического волокна. Микроизгибы Сердцевина Оболочка Мощность мод высших порядков излучается Мощность основной моды передается модам высших порядков Рис. 7. Потери на микроизгиб. Лекция 3 Дисперсия оптических волокон Дисперсией оптического волокна называют рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала. Основная причина дисперсии – разные скорости распространения отдельных составляющих оптического сигнала. Дисперсия проявляется как уширение, увеличение длительности распространяющихся по волокну оптических импульсов. В общем случае указанная величина уширения оптического импульса  определяется непосредственно значениями среднеквадратической длительности на передающей in и out, соответственно: 2    out   in2 , с. В свою очередь дисперсия создает переходные помехи, приводит к межсимвольной интерференции и, соответственно, ошибкам при приеме сигналов, что ограничивает скорость передачи в линии или, иными словами, длину регенерационного участка (РУ). Межмодовая дисперсия Межмодовая дисперсия характерна только для многомодовых оптических волокон. Она возникает в многомодовых световодах из-за наличия большого числа мод с различным временем распространения за счет различной длины пути, который отдельные моды проходят в сердцевине волокна (см. лекцию 1). Полоса пропускания типовых градиентных многомодовых оптических волокон характеризуется коэффициентом широкополосности F, МГц∙км, значение которого указывается в паспортных данных на длинах волн, соответствующих первому и второму окнам прозрачности. Стандартные полосы пропус- кания типовых многомодовых оптических волокон составляют 400…2000 МГц∙км. Реализация высокоскоростных многомодовых ВОЛП требует применения одномодовых лазеров в качестве источников излучения оптоэлектронных модулей ОСП, обеспечивающих скорость передачи данных свыше 622 Мбит/с (STM-4). В свою очередь, основным фактором искажения оптических сигналов одномодовых ОСП, распространяющихся по волокнам многомодовых ВОЛП является уже не многомодовая дисперсия, а дифференциальная модовая задержка (DMD). DMD носит случайный характер и зависит непосредственно от параметров конкретной пары «источник–волокно», а также от условий ввода излучения с выхода лазера в линейный тракт многомодовой ВОЛП. Поэтому в паспортных данных на новый тип многомодовых волоконных световодов – волокон, оптимизированных для работы с лазерами – помимо значений коэффициента широкополосности, позволяющего оценить величину межмодовой дисперсии при передаче сигналов многомодовых ОСП по многомодовым ВОЛП, также указываются дополнительные сведения, полученные в результате измерений DMD в процессе изготовления волокна, – например, предельная длина ЭКУ одномодовой ОСП Gigabit Ethernet. Очевидно, что в одномодовых волоконных световодах межмодовая дисперсия не проявляется. Одними из основных факторов искажений сигналов, распространяющихся по одномодовым оптическим волокнам являются хроматическая и поляризационная модовая дисперсии. Хроматическая дисперсия Хроматическая дисперсия Dch обусловлена конечной шириной спектра излучения лазера и различием скоростей распространения отдельных спектральных составляющих оптического сигнала. Хроматическая дисперсия складывается из материальной и волноводной дисперсии, и проявляется как в одномодовых, так и многомодовых оптических волокнах: Dch  Dmat  Dw . Материальная дисперсия Материальная дисперсия Dmat определяется дисперсионными характеристиками материалов, из которых изготовлена сердцевина оптического волокна – кварца и легирующих добавок. Спектральная зависимость показателя преломления материала сердцевины и оболочки (рис. 1) вызывает изменения с длиной волны и скорости распространения. Достаточно часто данная зависимость описывается известным уравнением Селлмейера, которое имеет следующий вид: n   1  2 3  j 1 A j 2 2  B 2j , где Aj и Bj – коэффициенты Селлмейера, соответствующие заданному типу материала, легирующей примеси и ее концентрации. n() 86,5% SiO2+13,5%GeO2 100% SiO2 , мкм Рис. 1. Спектральная зависимость показателя преломления чистого кварца (сплошная кривая) и кварца, легированного 13,5% германием (штриховая кривая). Очевидно, что эту характеристику для кварцевых волокон можно считать неизменной. Материальная дисперсия характеризуется коэффициентом Dmat пс/(нм.км), который определяется из известного соотношения: Dmat     2n . c 2 Dmat, пс/(нм.км) 0=1280 нм 100% SiO2 86,5% SiO2+13,5%GeO2 , мкм Рис. 2. Спектральная зависимость коэффициента материальной дисперсии чистого кварца (сплошная кривая) и кварца, легированного 13,5% германия (штриховая кривая). В качестве примера, на рис. 2 представлены спектральные характеристики коэффициентов материальной дисперсии чистого кварца и кварца, легированного 13,5% германия. Очевидно, что характер проявления материальной дисперсии зависит не только от ширины спектра излучения источника, но и от его центральной рабочей длины волны. Так, например, в области третьего окна прозрачности =1550 нм менее длинные волны распространяются быстрее, чем более длинные, а материальная дисперсия больше нуля (Dmat>0). Данный диапазон получил название области нормальной или положительной дисперсии (рис. 3 (б)). В области первого окна прозрачности =850 нм, напротив, более длинные волны распространяются быстрее, чем короткие, а материальной дисперсии со- ответствует отрицательное значение (Dmat<0). Данный диапазон называется областью аномальной или отрицательной дисперсии (рис. 3 (в)). A(t) A(t) t t   D=0 D «+» (б) (а) A(t) A(t) t  D «–» t  (в) D=0 (г) Рис. 3. Хроматическая дисперсия: (а) импульс на входе ВОЛП; (б) нормальная дисперсия; (в) аномальная дисперсия; (г) область нулевой дисперсии. В некоторой точке спектра, называемой точкой нулевой материальной дисперсии 0, происходит совпадение, при этом и короткие, и длинные волны распространяются с одинаковой скоростью (рис. 3 (г)). Так, например, для чистого кварца SiO2 точка нулевой материальной дисперсии соответствует длине волны 1280 нм (рис. 2). Волноводная дисперсия Волноводная дисперсия Dw обусловлена зависимостью групповой скорости распространения моды от длины волны, характер которой определяется формой профиля показателя преломления оптического волокна. Указанная зависимость определяется пространством, занимаемым модой по отношению к профилю показателя преломления волокна. Так, в ряде случаев в световодах с большим диаметром сердцевины волноводной дисперсией можно пренебречь. В одномодовых оптических волокнах из-за малого радиуса сердцевины, напротив, волноводная дисперсия достаточно велика. Достаточно часто для оценки волноводной дисперсии используют следующее соотношение: Dw   n1  n2 V  2 V  b  , c V 2 где V – нормированная частота; b – нормированная постоянная распространения, которая связана с  следующим соотношением:  при этом составляющая   n2 b k ; n1  n2 V  2 V  b  / V 2  получила название нормированный пара- метр волноводной дисперсии. Спектральные характеристики хроматической дисперсии одномодовых оптических волокон действующих рекомендаций МСЭ-Т Результирующее значение хроматической дисперсии Dch, которое складывается из материальной Dmat и волноводной Dw составляющих, непосредственно связано с первой и второй производной постоянной распространения следующим соотношением: Dch      2 2   2c     .   D, пс/(нм.км) 40 материальная Dmat 20 хроматическая Dch волноводная Dw –20 –40 1,1 1,3 1,7 , мкм 1,5 Рис. 4. Хроматическая дисперсия одномодовых оптических волокон рек. МСЭ-Т G.652. Очевидно, что подбор профиля показателя преломления позволяет соответствующим образом изменить итоговую спектральную характеристику хроматической дисперсии. Так, в волокнах SSF, которые характеризуются типовым ступенчатым профилем показателя преломления, преобладает положительная материальная дисперсия, которая и формирует минимум хроматической дисперсии в области длины волны 1300 нм (рис. 4, 5). D, пс/(нм.км) SSF DSF NZDSF , нм Рис. 5. Хроматическая дисперсия одномодовых оптических волокон SSF (рек. МСЭ-Т G.652) Профили показателя преломления волокон DSF и NZDSF сформированы таким образом, чтобы компенсировать материальную дисперсию отрицательной волноводной. В волокнах DSF при сложении материальной и волноводной составляющих дисперсии длина волны нулевой дисперсии смещается в область третьего окна прозрачности =1550 нм. Для волокон NZDSF длина волны нулевой дисперсии не нормируется. Она обычно находится за пределами диапазона длин волн третьего окна прозрачности (диапазона C). Дисперсионные параметры одномодовых оптических волокон Хроматическая дисперсия характеризуется коэффициентом хроматической дисперсии D, имеющим размерность пс/(нм.км), значение которого в паспортных данных достаточно часто указывается на длинах волн, соответствующих второму и третьему окнам прозрачности (1310 и 1550 нм). В качестве примера, в таблице 1 приведены типовые значения коэффициента хроматической дисперсии D волокон рек. МСЭ-Т G.652 и G.653. Таблица 1 D, пс/(нм.км) SSF (G.652) DSF (G.653) =1310 нм  2,7…3,5  25 =1550 нм  17…18  2,7 Кроме параметра D в качестве характеристик хроматической дисперсии оптических волокон также используют коэффициент наклона дисперсионной характеристики S0, который имееет размерность пс/(нм2.км) и относительный коэффициент наклона дисперсионной характеристики RDS=S0/D с размерностью 1/нм. Последняя величина однозначно связана с полосой пропускания оптического волокна и характеризует поведение дисперсионной характеристики в заданном диапазоне длин волн. Выше было отмечено, что на сегодняшний день, благодаря усовершенствованию технологии производства оптических волокон стала доступна вся область низких потерь от 1260 нм до 1675 нм. В общем случае значение коэффициента хроматической дисперсии D волокон SSF на конкретной несущей  из заданного спектрального диапазона оценивается по следующей формуле: D   S0 4  40  пс   , .  3   нм  км  Значения коэффициент наклона дисперсионной характеристики S0 и длины волны нулевой дисперсии также указываются в паспортных данных на оптические волокна. Например, указанные параметры одномодового оптического волокна Corning SMF-28e составляют: S0=0,092 пс/(нм2.км); 0=1301,5…1321,5 нм. Для волокон со смещенной дисперсией (DSF) величина D на определенной несущей  из заданного спектрального диапазона оценивается по следующей интерполяционной формуле: пс  D     0 S0  ln   , нм  км .  0  В ряде случаев (в частности, для одномодовых оптических волокон NZDSF) указываются значения коэффициентов хроматической дисперсии на длинах волн 1 и 2, соответствующих границам спектральных диапазонов (1…2) – например, диапазонам С и L, и формула вычисления D() (1<<2) определяется непосредственно значениями D(1) и D(2):  D2   D1   пс D       2   D2 , .    нм  км 2 1   В качестве примера в таблице 2 приведены значения коэффициента хроматической дисперсии D для волокон Corning LEAF на границах диапазонов C и L. Таблица 2 D, пс/(нм.км) Диапазон C Диапазон L 1530 нм 1565 нм 1565 нм 1625 нм 2,0 6,0 4,5 11,2 Максимально допустимое значение хроматической дисперсии на РУ ВОЛП при передаче сигналов со скоростью B, Гбит/с, при условии приращения уровня помех не более чем на 1 дБ, приближенно определяется из следующего соотношения: DРУ max  104000 , пс/нм B2 Результаты оценки дисперсии ВОЛП и максимальная протяженность РУ, в пределах которого не требуется проведение дополнительных мероприятий по компенсации дисперсии, для волокон SSF и NZDSF на длине волны =1550 нм представлены в таблице 3. Таблица 3 B, Гбит/с 2,5 10 40 SDH: STM– 16 64 256 Дисперсия, DРУ max пс/нм 16640 1040 65 980 62 4 3782 236 14 Lmax, км: ОВ SSF (=1550 нм, D=17 пс/(нм км)) . Lmax, км: ОВ NZDSF (=1550 нм, D=4,4 пс/(нм км)) . Допустимая величина дисперсии на выходе ВОЛП при скорости передачи 2,5 Гбит/с составляет 16640 пс/км. Данной величине соответствуют предельные значения длины РУ 980 км для волокон SSF и 3782 км для волокон NZDSF. Таким образом, сигналы ОСП уровня STM-16 на рабочей длине волны, соответствующей третьему окну прозрачности, можно передавать по волокнам особенно со смещенной дисперсией практически на неограниченное расстояние. Но уже при скорости передачи 10 Гбит/с (STM-64) допустимая величина дисперсии уменьшается до 1040 пс/нм, и если для волокон NZDSF значение Lmax уменьшается до 236 км, то максимальная длина РУ ВОЛП на основе волокон SSF не превышает 62 км. В этом случае увеличение протяженности РУ потребует проведения дополнительных мероприятий по компенсации дисперсии. Лекция 4 Классификация оптических кабелей связи Оптические кабели связи (ОК), в отличие от электрических кабелей, нет необходимости классифицировать по принципу их принадлежности на магистральные, внутризоновые, городские и сельские. Объясняется это тем, что в современных ОК, в не зависимости от их принадлежности к тем или иным сетям, используются одинаковые оптические волокна, в большинстве случаев – одномодовое. В связи с этим ОК классифицируются по назначению на две основные группы: - линейные – для прокладки вне зданий (для наружной прокладки и эксплуатации); - внутриобъектовые – для прокладки внутри зданий (для внутренней прокладки и эксплуатации). Определяющим фактором применения линейных ОК на сетях связи являются условия их прокладки и эксплуатации. Линейные оптические кабели позволяют создавать сети во всех средах: на суше, в воде и воздухе. С учетом этого линейные ОК можно классифицировать на три группы: подземные, подвесные и подводные. Внутриобъектовые ОК по условиям применения можно классифицировать на две группы: распределительные и станционные (монтажные). Условия прокладки и эксплуатации ОК в одной и той же среде далеко не одинаковы, поэтому целесообразно классифицировать ОК и по вариантам их применения. Классификация оптических кабелей по назначению, условиям и вариантам применения представлена на рисунке 1. Предложенная классификация ОК исходит из требований нормативно-технического документа, определяющего технические требования к ОК с учетом их назначения, условий и вариантов применения на Взаимоувязанной сети связи (ВСС) России. Здесь представлена обобщенная классификация ОК. Более подробно классификация по конструкциям и условиям работы для подземных, подвесных, подводных ОК изложена в последующих лекциях. Классификация оптических кабелей По назначению Линейные кабели Внутриобъектовые кабели Условия прокладки Подвесные кабели Подземные кабели Варианты применения Варианты применения Условия применения Подводные кабели Варианты применения Распределительные кабели Варианты применения Для прокладки внутри зданий На опорах ЛЭП На опорах эл.ж.д. и гор. электрохозяйства В грунте В кабельной канализации На речных переходах и глубоководных участках водоемов Станционные кабели Варианты применения Для монтажа аппаратуры На береговых и морских участках В тоннелях, коллекторах Рис. 1. Классификация оптических кабелей Технические требования, предъявляемые к ОК Оптические кабели должны быть рассчитаны на возможность передачи всех видов информации на базе современных и перспективных оптических технологий передачи. Как правило, линейные ОК не должны иметь внутри оптиче- ского сердечника металлических элементов, чтобы не возникали дополнительные затраты на защиту от внешних электромагнитных воздействий. Оболочка ОК должна в течение всего срока службы сохранять герметичность, влагонепроницаемость, электрическую прочность, стойкость к воздействию соляного тумана, солнечного излучения, стойкость к избыточному гидростатическому давлению, к низким и высоким температурам, обеспечивать нераспространение горения (при прокладке внутри помещений) и иметь требуемые механические свойства на растяжение, сдавливание, удары и изгибы. Броня, применяемая в ОК, должна обладать механические свойствами, адекватными условиям прокладки и эксплуатации ОК, и сохранять эти свойства в течение всего срока службы, обеспечивать защиту от грызунов. Оптические кабели должны иметь сертификат соответствия Министерства информационных технологий и связи России. Требования к одному из основных характеристик ОК, коэффициенту затухания, обусловленные необходимостью создания больших длин элементарных кабельных участков для высокоскоростных ВОСП, стремлением уменьшить затраты на строительство, эксплуатацию, а в дальнейшем и реконструкцию линий передачи, приведены в таблице 1. Важными характеристиками, позволяющими контролировать состояние ОК в процессе его эксплуатации, являются: - электрическое сопротивление изоляции наружной полиэтиленовой оболочки постоянному току между металлическими элементами и землей (водой), которое должно быть не менее 2000 МОм∙км; - испытательное напряжение наружной полиэтиленовой оболочки между соединенными вместе металлическими элементами кабеля и водой в течение 5с величиной 10 кВ переменным током частотой 50 Гц и 20 кВ постоянным током. Оптические кабели с металлическими элементами в защитных покровах должны выдерживать испытания импульсным током, Iм, значения которого, в зависимости от категории молниестойкости ОК, должны быть: I категория Iм > 105 кА; II категория 80 кА ≤ Iм < 105 кА; III категория 55 кА ≤ Iм < 80 кА; IV категория Iм < 55 кА. Требования к механическим параметрам ОК и рабочей диапазон температур приведены в таблице 2. Оптические кабели вне зависимости от условий применения должны выдерживать циклическую смену температур от низкой до высокой рабочей температуры. Таблица 1. Коэффициент затухания ОВ и ОК Многомодовые Параметр Ед. измер. (градиентные) ОВ Рекомендации МСЭ-Т G.651 Рабочий диапазон длин Одномодовые ОВ G.652 G.653 G.654 1260…1360 нм 1530…1565 1530…1565 1300 1530…1565 1530…1565 волн G.655 1550…1625 Коэффициент затухания, не более, на опорной длине волны: 0,7 - - - - 1310 нм - 0,35 - - - 1550 нм - 0,22 0,22 0,20 0,22 1625 нм - - - - 0,25 1300 нм дБ/км Подвесные ОК должны быть стойкими к воздействию атмосферных осадков, соляного тумана, солнечного излучения (радиации). Подводные ОК должны выдерживать избыточное гидростатическое давление 70 МПа (при прокладке на береговых и морских участках) и 0,7 МПа (при прокладке на речных переходах и на глубоководных участках водоемов). Оптические кабели должны иметь защиту от продольного распространения влаги. Гидрофобный компаунд, заполняющий оптический кабель, не должен становиться текучим при температуре до +700С и должен быть совместим с другими материалами оптического кабеля. Гидрофобный компаунд не должен влиять на параметры оптических волокон, должен легко удаляться при монтаже, не быть токсичным и не вызывать коррозию. Оптические кабели, предназначенные для прокладки внутри зданий, в коллекторах и тоннелях, должны иметь наружную оболочку из материала, не распространяющего горение. Срок службы оптических кабелей должен быть не менее 25 лет. Основные производители и номенклатура ОК В настоящее время в России ОК выпускают достаточно большим количеством отечественных предприятий. Оснащение производства современным высокопроизводительным и полностью автоматизированным оборудованием ведущих зарубежных фирм, использование отечественного и импортного высококачественного сырья и материалов, современной испытательной и измерительной техники, а также внедрение систем качества, отвечающих требованиям отечественных и зарубежных стандартов позволяют кабельным заводам успешно конкурировать с ведущими зарубежными фирмами-изготовителями оптических кабелей. На сегодняшний день на сети связи России в основном поступает ОК отечественного производства. Перечислим основные заводы-изготовители оптического кабеля. Совместные предприятия: - СП ЗАО «Самарская оптическая кабельная компания» (г. Самара), одним из соучредителей которой является фирма Corning Inc., США; - СП ЗАО «Москабель-Фуджикура» (г. Москва), одним из соучредителей которой является фирма Fujikura, Япония; - СП ЗАО «ОФС Связьстрой-1», «Волоконно-оптическая кабельная компания» (г. Воронеж), соучредителем которой являются фирмы Furukava (Япония) и Commscope (США). Отечественные предприятия: - ЗАО НФ «Электропровод» (г. Москва); - ЗАО «Севкабель-оптик» (г. Санкт-Петербург); - ООО «Оптен» (г. Санкт-Петербург); - ЗАО «ОКС-01» (г. Санкт-Петербург); - ООО «Сарансккабель-оптика» (г. Саранск); - ООО «Эликс-кабель» (г. Реутов Московской области); - ЗАО «Трансвок» (г. Боровск Калужской области); - ЗАО «Еврокабель» (г. Щелково Московской области). На российский рынок также поставляют ОК ОАО «Одесскабель» (г. Одесса, Украина) и завод «Союз-кабель» (г. Витебск, Республика Беларусь), который начал свою деятельность в 2003г. Большинство кабельных заводов придерживается стратегии выпуска ОК, при которой потребителю предлагается на выбор конструкции ОК с несколькими базовыми конструкциями оптических сердечников (с центральным оптическим модулем (ОМ) или с различным числом ОМ и элементов заполнения вокруг центрального силового элемента (ЦСЭ), несколькими вариантами брони (круглая проволока, стальная лента, арамидные нити, стеклопластиковые прутки и т.п.), внутренних и наружных оболочек. Таблица 2. Механические параметры ОК Типы ОК по условиям применения Статическое растягивающее усилие, не менее, кН Стойкость к Раздавливающее удару с на- усилие, не менее, чальной энер- кН/10 мм гией, не ме- Стойкость Стойкость к осевому к изгибу кручению Стойкость к Диапазон вибрационной температур, нагрузке t 0C нее, Дж Подземные В грунтах, кроме скальных и подверженных мерзлотным де- 20 циклов изги- 25 0,4 10 формациям В грунтах скальных и подверженных мерзлотным 20 0,4 10 деформациям В кабельной канализации В специальных защитных пластмассовых трубах (ЗПТ) 1,5 1,0 0,4 0,2 5,0 3,0 бов на угол ±900 с радиусом не 10 циклов более 20 наруж- осевого ных диаметров кручения в нормальных на угол климатических ±3600 на условиях при длине не температуре не более 4 м -40…+50 С ускорением 40 м/с2 с час- -40…+50 тотой 10…200 ниже минус Гц -40…+50 -40…+50 100С Подводные На речных переходах 20 1,0 30 1,0 На береговых участках 50 1,0 На морских участках 25 1,5 На глубоководных участках водоемов -40…+50 В соответствии с документацией завода производителя То же, что и для подземных -40…+50 -40…+50 +4…+50 Подвесные На опорах ВЛС, городского электрохозяйства, эл.ж.д. и ЛЭП на- 3,0 1,0 7,0 2,0 пряжением менее 110 кВ На опорах ЛЭП (ОК в грозотросе) То же, что и для подземных 10 -60…+70 -60…+70 Внутриобъектовые Распределительные 1,0 0,2 3,0 То же, что для -10…+50 подземных, но только в норСтанционные (монтажные) 0,05 0,05 1,0 мальных кли- -10…+50 матических условиях Примечание. Динамическое растягивающее усилие в соответствии с документацией завода производителя, величина которого должна быть на 15% больше, чем статическое растягивающее усилие Выпускаются ОК различного назначения (линейные, внутриобъектовые) и для различных условий прокладки и эксплуатации (подземные, подводные, подвесные, для прокладки внутри зданий - распределительные и станционные). Унификация выпускаемых ОК заключается, прежде всего в унификации оптического сердечника ОК. Применяются две конструкции: - ОК с оптическим сердечником, в центре которого расположен силовой элемент (ЦСЭ) и несколько элементов повива – оптических модулей (ОМ) и корделей заполнения; - ОК с оптическим сердечником, в центре которого расположена полимерная трубка с ОВ, выполняющая роль центрального оптического модуля. Всеми кабельными заводами освоены конструкции ОК с многомодульным оптическим сердечником повивного типа, т.е. несколько ОМ и корделей заполнения располагаются вокруг центрального силового элемента. Для многомодульных конструкций хорошо отработана не только технология изготовления, но и технология монтажа ОК, что способствует сохранению стабильности конструкции ОК как в процессе прокладки, так и эксплуатации. В многомодульном оптическом сердечнике может быть от 2 до18 ОМ, а в каждом ОМ от 2 до 24 ОВ. ОК могут выпускаться емкостью до 288 ОВ. Ряд кабельных заводов освоили конструкции ОК с одномодульным оптическим сердечником в виде полимерной трубки с ОВ, выполняющей роль центрального оптического модуля, внутри которой могут свободно размещаться от 2 до 48 ОВ. Эти конструкции в соответствии с техническими условиями рассчитаны на допустимые растягивающие усилия до 20 кН. Пределы допустимых растягивающих и раздавливающих усилий зависят от марок ОК и определяются материалом, площадью сечения оболочек и металлических элементов, применяемых в ОК. По требованию заказчика кабельные заводы могут выпускать ОК с любыми механическими параметрами, но не хуже, чем указано в технических условиях. Тенденция такова, что конструкции ОК постоянно усовершенствуются, уменьшается их материалоемкость, улуч- шаются технические параметры, расширяется номенклатура ОК с учетом адекватности условий применения. По критерию «допустимое растягивающее усилие» для прокладки и эксплуатации на магистральной сети связи с учетом природно-климатических условий, в основном, можно выделить четыре типа подземных и подводных ОК: - тип 1 – не менее 80 кН; - тип 2 – не менее 20 кН; - тип 3 – не менее 7 кН; - тип 4 – не менее 2,7 кН. Лекция 5 Оптические кабели для прокладки в грунт Согласно техническим требованиям ОК, предназначенные для прокладки в грунт, должны быть бронированными, грозостойкими. Внешняя защитная оболочка кабелей должна иметь сопротивление изоляции относительно электрода заземления не менее 10 МОм·км при напряжении не менее 10 кВ переменного тока в течение 5 с. Кабели должны быть сертифицированы для применения на ВСС РФ. Температурный диапазон эксплуатации подземных ОК -400С…+500С. Некоторые заводы указывают более широкий диапазон температур. Например, ЗАО «Севкабель-оптик» от -600С до +700С. На магистральных и внутризоновых сетях в грунт в основном прокладываются ОК с броней из круглых оцинкованных проволок. В зависимости от сложности грунтов на трассе ВОЛП эти кабели имеют разные допустимые растягивающие усилия. Для грунтов всех групп, включая грунты, подверженные мерзлотным деформациям, а также на речных переходах, через судоходные реки и на глубоководных участках водоемов рекомендуется использовать ОК типа 1 с двухслойной круглопроволочной броней, имеющий допустимое растягивающее усилие 80 кН. Для грунтов всех групп, включая скальные и сложные грунты, а также через неглубокие несудоходные реки и болота рекомендуется использовать ОК типа 2 с однослойной круглопроволочной броней, имеющий допустимое растягивающее усилие 20 кН. Для прокладки ОК в легких грунтах, по мостам и эстакадам, а в некоторых случаях и в телефонной канализации используется ОК типа 3 с однослойной круглопроволочной броней, имеющий допустимое растягивающее усилие 7 кН. Здесь следует отметить, что в зависимости от местных условий заказчики могут заказать заводам ОК и с другими допустимыми растягивающими усилиями. Например, ЗАО «СОКК» предлагает ОК с круглопроволочной броней с допустимыми растягивающими усилиями на 10 и 40 кН. На рисунке 1 представлены конструкции ОК с многомодульным оптическим сердечником производства ЗАО «СОКК», а на рисунке 2 – конструкции ОК с одномодульным оптическим сердечником производства ЗАО «ОКС-01». Рис. 1. Конструкции ОК с многомодульным оптическим сердечником и круглопроволочной броней производства ЗАО «СОКК» марки ОКЛК: а) на 7, 10, 20 и 40 кН; б) на 80 кН: 1 – оптические волокна; 2 – ЦСЭ; 3 – кордель заполнения; 4 – поясная изоляция из лавсановой ленты; 5 – гидрофобный компаунд; 6 – внутренняя полиэтиленовая оболочка; 7 – броня из круглых оцинкованных проволок: а) в один слой; б) в два слоя; 8 – наружная полиэтиленовая оболочка Рис. 2. Конструкции ОК с одномодульным оптическим сердечником с центральным оптическим модулем производства ЗАО «ОКС-01» марок ОПС, ОАС и ОА2: 1- полимерная трубка; 2 - оптическое волокно, сгруппированное в пучки; 3 – гидрофобный компаунд; 4 – водоблокирующая и алюмополиэтиленовая лента; 5 – броня из стальных оцинкованных проволок; 6 – наружная оболочка; 7 - наружная оболочка Оптические кабели для пневмозадувки в защитные пластмассовые трубы В настоящее время все шире в России стал использоваться метод пневмозадувки ОК в предварительно проложенные в грунт кабелеукладочной техникой защитные пластмассовые трубы (ЗПТ). Для задувки в ЗПТ применяются ОК облегченной конструкции без бронепокровов. Основные требования к таким кабелям – малая масса и небольшие габариты. Кабели для пневмозадувки в ЗПТ, как правило, изготавливаются чисто диэлектрическими, не содержащими металлических элементов. В этом случае для определения трассы прокладки ОК в ЗПТ необходимо устанавливать электронные маркеры. На рисунке 3 представлена конструкция ОК марки ОКЛ для пневмозадувки производства ЗАО «СОКК». На рисунке 4 представлена конструкция ОК для пневмозадувки производства ЗАО «ОКС-01», которая может быть чисто диэлектрической (ДПО) и с алюмополиэтиленовой оболочкой (ДАО). Алюмополиэтиленовая лента под полиэтиленовой внешней оболочкой позволяет упростить поиск трассы ВОЛП в процессе ее эксплуатации и более надежно защитить кабель от проникновения в него влаги. Рис. 3. Конструкции ОК с многомодульным оптическим сердечником марки ОКЛ производства ЗАО «СОКК»: 1 – оптические волокна, свободно уложены в полимерных трубках (оптические модули), заполненных гидрофобным компаундом; 2 – центральный силовой элемент из стеклопластикового прутка; 3 – кордели – сплошные ПЭ стержни для устойчивости конструкции; 4 – поясная изоляция в виде лавсановой ленты, наложенная поверх скрутки; 5 – гидрофобный компаунд; 6 – повив силовых элементов из высокопрочных синтетических нитей (при необходимости); 7 – наружная оболочка из композиции полиэтилена Рис. 4. Конструкции ОК с многомодульным оптическим сердечником марок ДПО и ДАО производства ЗАО «ОКС-01»: 1- ЦСЭ; 2 - оптические волокна; 3 – полимерная трубка (модуль); 4 – гидрофобный компаунд; 5 – кордель; 6 – водоблокирующая и алюмополиэтиленовая лента; 5 – броня из стальных оцинкованных проволок; 6 – наружная оболочка; 7 наружная оболочка Оптические кабели для прокладки в кабельной канализации Согласно ведомственных норм технологического проектирования в телефонной кабельной канализации допускается прокладка ОК практически всех конструкций, т.к. все линейные кабели имеют внешнюю защитную пластмассовую оболочку. Однако по технико-экономическим соображениям и учитывая, что в телефонной кабельной канализации, а также в коллекторах, тоннелях, на мостах и эстакадах ОК могут повреждаться грызунами рекомендуется прокладывать кабели с бронепокровом из стальной гофрированной оболочки. Такие кабели выпускаются многими отечественными производителями ОК. На рисунке 5. в качестве примера представлена конструкция ОК ЗАО «СОКК» марки ОКЛСт со стальной гофрированной броней типа Zetabon, которая представляет собой стальную ленту на которую с обеих сторон электролитическим путем нанесено полимерной покрытие. В процессе нанесения наружной оболочки полимерное покрытие стальной ленты расплавляется и образует надежную приварку стальной ленты к защитной оболочке, что обеспечивает защиту от грызунов, механических воздействий, а также от поперечной диффузии влаги. Кабели выпускаются с одной наружной полиэтиленовой оболочкой или с двумя (внутренней и наружной). Рис. 5. Конструкции ОК производства ЗАО «СОКК» с многомодульным оптическим сердечником марки ОКЛСт: 1 – оптические волокна; 2 – центральный силовой элемент из стеклопластикового прутка; 3 – кордели; 4 – поясная изоляция в виде лавсановой ленты; 5 – гидрофобный компаунд; 6 – броня в виде стальной гофрированной ленты с водоблокирующей лентой под ней; 7 - Наружная оболочка, выполненная из композиции ПЭ средней или высокой плотности Подвесные оптические кабели Подвесные ОК достаточно широко используются на ВСС России как по линии Министерства информационных технологий и связи, так и в других Министерствах и ведомствах. Например, на опорах железных дорог России (ОАО «ТрансТелеком») подвешены десятки тысяч километров магистральных оптических кабелей. Наиболее широко используются конструкции ОК: - для подвески на опорах ЛЭП; - для подвески на опорах контактной сети центральной блокировки железных дорог, а также на опорах городского электрохозяйства. Для подвески на опорах ЛЭП напряжением 110 кВ и выше в России в основном используются ОК, встроенные в грозозащитный трос. Такие кабели наиболее целесообразно обозначать (маркировать): ОКГТ – оптический кабель, встроенный в грозозащитный трос. Эффективность подвески ОК на ЛЭП определяется следующими факторами: Наличием в разветвительной сети высоковольтных линий электропередачи и, следовательно, возможностью не строить самостоятельную линию связи, а подвешивать кабель к уже существующим, механически прочным опорам; - совмещением ОК с обязательным на ЛЭП грозозащитным тросом, который одновременно служит силовым несущим элементом кабеля связи и экранирует его от внешних электромагнитных влияний. Кабели в грозотросе можно классифицировать по ряду признаков, определяемых, в основном, конструкцией сердечника. Кабели бывают как с пластмассовыми, так и с металлическим модулями. Модуль – это самостоятельный конструктивный элемент кабеля, содержащий одно или несколько оптических волокон. В ОКГТ используются, как правило, так называемые свободные трубчатые модули – пластмассовые или металлические трубки, в которых ОВ располагается свободно с небольшой избыточной длиной по отношению к длине ка- беля. Делается это для того, чтобы волокна не испытывали деформации при воздействии на кабель растягивающего усилия. Кабели бывают одномодульные и многомодульные. В центре одномодульного кабеля находится трубка относительно большого диаметра, в которой помещаются все ОВ. В многомодульном кабеле несколько модулей скручиваются вместе, образуя повив, чаще всего, вокруг центрального силового элемента. Возможна скрутка металлических трубок и без центрального элемента. Герметичные металлические трубки защищают волокна от проникновения извне влаги и свободного водорода и обладают высоким сопротивлением раздавливанию. Через пластмассовые трубки возможна диффузия паров воды и свободного водорода, выделяющегося некоторыми защитными материалами. Водород и образованные им гидроксильные группы ОН могут проникать в кварцевое волокно, что приводит к повышению коэффициента затухания. Поэтому пластмассовые трубки модулей обязательно заполняются гидрофобным компаундом, защищающим волокна не только от влаги и от вибрации. Центральный силовой элемент в многомодульных кабелях может быть либо диэлектрический: стеклопластиковый круглый стержень – кордель, либо металлический: стальная круглая проволока, плакированная алюминием (алюминированная); профилированный алюминиевый (или из сплава) стержень с пазами. Оптический сердечник в ряде конструкций заключается в трубку – полимерную или металлическую (алюминиевую, из алюминиевого сплава, из нержавеющей стали). Во всех кабелях поверх поясной трубки располагается один или два повива металлических проволок, образующих грозозащитный трос. Проволоки могут быть стальные; алюминиевые; стальные, плакированные алюминием, и алдреевые – из сплава алюминия с магнием, кремнием и железом. Выбор вида проволок зависит от эксплуатационных требований физикомеханическим параметрам троса. В двухповивном тросе внешний повив состоит из проволок повышенной электропроводности (алдрей, алюминий), а внутренний – из проволок высокой механической прочности (сталь, плакированная сталь), таким образом, проволоки, обеспечивающие механическую прочность троса и, следовательно, кабеля, защищены от воздействия ударов молнии. Короткие замыкания в высоковольтных ЛЭП приводят к высокой плотности тока в тросе и сопровождаются повышением температуры внешних алдреевых или алюминиевых проволок, чего не испытывают стальные проволоки внутреннего повива, защищая тем самым от нагрева оптические модули. В одноповивном тросе сочетаются оба типа проволок. Кабели ОКГТ способны выдерживать очень высокие механические и электрические нагрузки, имеют длительный срок службы, обеспечивают оптимальную механическую защиту ОВ (например, от пулевых повреждений) и оптимальную молниезащиту, так как стальная проволока, обеспечивающая механическую прочность во внутреннем слое, хорошо защищена. Для них характерны малые изменения температуры ОВ в условиях короткого замыкания благодаря тепловой изоляции, обеспечиваемой внутренним стальным слоем брони, и минимальный крутящий момент при монтаже и эксплуатации. Рабочая температура ОКГТ лежит в пределах -600С…+700С. Высокие электрические и механические характеристики обеспечиваются запатентованной отечественной конструкцией кабеля ОКГТ в которой оптический сердечник размещается в металлической оболочке, поверх которой накладывается броня (рис. 6). Рис. 6. Грозозащитный трос с оптическими волокнами Внешняя поверхность металлической оболочки имеет продольногофрированную структуру, броня выполнена из повива круглых проволок с разными механической прочностью и проводимостью. За счет этого увеличивается теплообмен без уменьшения механической прочности и увеличивается эксплуатационная надежность. Гофрировка на внешней поверхности металлической оболочки и повив проволок на внешней поверхности металлической оболочки улучшают теплообмен между металлической оболочкой и внешней средой и круглыми проволоками и внешней средой. За счет хорошего теплообмена с внешней средой и протекания половины тока по проволокам брони с высокой проводимостью металлическая оболочка не перегревается и диэлектрические элементы не оплавляются. Проволоки брони обеспечивают высокую механическую прочность и могут иметь различный диаметр и форму поперечного сечения для получения необходимого эффекта по сохранению механической прочности и получению высокой проводимости. ОК, встроенные в грозозащитной трос выпускаются многими зарубежными фирмами. Конструкции таких ОК некоторых зарубежных фирм рассмотрены. ЗАО «Самарская оптическая кабельная компания» разработала и предлагает ОК, встроенный в грозозащитный трос, марки ОКГТ (рис. 7). Основные технические характеристики этого кабеля: количество ОВ, шт до 48 номинальный внешний диаметр кабеля, мм 13,2 масса кабеля, кг/км 590 сечение стальной части кабеля, мм2 56,27 сечение алюминиевой части кабеля, мм2 43,26 минимальная разрывная нагрузка, кг 7600 максимально допустимая растягивающая нагрузка, кг 4500 среднеэксплуатационная нагрузка, кг 1900 модуль упругости (начальный), кг/мм2 11735 модуль упругости (конечный), кг/мм2 14130 сопротивление постоянному току при 200, Ом/км 0,47 допустимый ток КЗ в 1 с, кА 9,0 термическая стойкость к КЗ, кА2·с 81 коэффициент линейного термического расширения, 1/0С 1,6х10-5 минимальный радиус изгиба, мм 260 Рис. 7. Конструкция ОК марки ОКГТ производства ЗАО «СОКК»: 1 – оптическое волокно; 2 – гидрофобный компаунд; 3 - центральная полимерная или стальная трубка; 4 – проволоки стальные оцинкованные; 5 – алюминиевая оболочка; 6 – проволоки из алюминиевого сплава; 7- проволоки стальные с алюминиевым покрытием Параметрами ОК уточняются для каждого конкретного проекта ВОЛП. В зависимости от числа оптических волокон кабели могут иметь сердечник одномодульной и многомодульной конструкции. Наиболее узким местом внедрения волоконно-оптической техники является сельская местная связь. Масштабная информатизация в глубинке сдерживается относительно высокой стоимостью строительства линейно-кабельных сооружений связи по традиционной технологии. При этом в России намечается большая работа по реконструкции воздушных ЛЭП напряжением до 10 кВ путем подвески самонесущих изолированных проводов (СИП-3) взамен устаревших самонесущих изолированных фазных проводов. Срочной замены требуют более 700 тыс. км распределительных, находящихся в эксплуатации. В связи с этим ОАО «Севкабель» и ЗАО «Севкабель-оптик» (г. Санкт-Петербург) разработали, испытали и представили на рынок новый для ЛЭП напряжением ниже 10 кВ комбинированный кабель-провод, одновременно выполняющий функции фазного провода и ОК. Кабель-провод с числом ОВ до 48 спроектирован на базе СИП-3, выпускаемых серийно ОАО «Севкабель» и самонесущих ОК, которые производит ЗАО «Севкабель-оптик» (рис. 8). Рис. 8. Конструкция фазового провода на основе СИП-3 с волоконно-оптическим модулем: 1 – центральный силовой элемент, выполненный из стальной проволоки или алюминиевого сплава; 2 – алюминиевые токопроводящие жилы; 3 – оптический модуль со свободно уложенными оптическими волокнами или пучками волокон и гидрофобным компаундом; 4 – водоблокирующая лента; 5 – наружная оболочка Применение комбинированного кабеля для создания гибридных сетей электроснабжения и связи позволит значительно сократить суммарные затраты на проектирование, строительство и эксплуатации линий. За счет этого появляется реальная возможность решить важную социальную задачу – довести практически до каждого населенного пункта оптическое волокно, а значит и современные цифровые технологии передачи информации. Кроме использования в распределительных сетях электроснабжения, разработанный кабель можно применить в нефтяной и газовой отрасли, где вдоль магистральных нефтепровода или газопровода сооружаются корпоративные воздушная линия электропередачи и кабельная линия связи. К описанной конструкции (рис. 8) следует добавить, что для проектирования, строительства и эксплуатации разработана необходимая документация. Для подвески ОК на опорах контактной сети электрифицированных железных дорог и городского электрохозяйства многими отечественными предприятиями выпускаются как самонесущие диэлектрические, не имеющие в конструкции металлические элементы, ОК (ЗАО «СОКК», ЗАО «Севкабельоптик», ЗАО «ОКС-01», ЗАО «ОФС-Связьстрой-1, ВОКК», ЗАО «МоскабельФуджикура» и др.), так и ОК с встроенным несущим тросом (ЗАО «ОФССвязстрой-1, ВОКК», ЗАО «Москабель-Фуджикура» и др.). Конструкции самонесущих подвесных ОК заводами-изготовителями предусматривают различные статические растягивающие нагрузки. Например, ЗАО «СОКК» изготавливает подвесные ОК с допустимыми растягивающими нагрузками 7,5; 10,0; 15,0; 20,0; 25,0 и 30,0 кН. При этом по требованиям конкретного проекта, в зависимости от значений длин пролетов, стрел провесов и условий эксплуатации может быть выполнен расчет конструкции ОК практически на любые допустимые растягивающие усилия. На рисунке 9 представлена конструкция самонесущего подвесного ОК производства ЗАО «СОКК» марки ОКЛЖ. На рисунке 10 показана конструкция подвесного ОК с встроенным тросом (силовым элементом, вынесенным из оптического сердечника) марки ОКТ производства ООО «Сарансккабель-оптика». Рис. 9. Конструкция ОК марки ОКЛЖ производства ЗАО «СОКК»: 1 - оптические волокна свободно уложены в полимерных трубках (оптические модули), заполненных гидрофобным компаундом; 2 - центральный силовой элемент, представляющий из стеклопластикового прутка; 3 - кордели – сплошные полиэтиленовые стержни – для устойчивости конструкции; 4 - поясная изоляция в виде лавсановой ленты; 5 – гидрофобный компаунд; 6 - внутренняя оболочка выполнена из композиции полиэтилена; 7 - силовые элементы в виде слоя арамидных нитей; 8 - наружная оболочка выполнена из композиции полиэтилена средней или высокой плотности Рис. 10. Конструкция подвесного ОК марки ОКТ производства ООО «Сарансккабельоптика»: 1 – стальной трос или стеклопластиковый стержень; 2 – скрепляющая лента; 3 – гидрофобный компаунд; 4 – полимерная трубка; 5 – стеклопластиковый силовой элемент; 6 – оптическое волокно; 7 – гидрофобный компаунд; 8 – полиэтиленовая оболочка Подводные оптические кабели связи Принципиально новый, качественный скачок в технике подводных линий связи произошел при появлении оптических кабелей. В первой половине 1980-х годов осуществилась прокладка ОК для регулярной эксплуатации линий длиной от 300 до 10000 км на глубине до 7500 м. Коэффициент затухания кабелей с одномодовыми волокнами на длине волны 1,3 мкм составлял 1 дБ/км, длина регенерационного участка – 35 км. В 1985 г. был проложен первый глубоководный оптический кабель связи большой емкости между двумя Канарскими островами (ОК первого поколения). Эта глубоководная система содержала несколько регенераторов, скорость передачи составляла 280 Мбит/с на 2 ОВ, передача осуществлялась на длине волны 1,3 мкм. В настоящее время подводные волоконно-оптические кабели имеют протяженность более 300000 км и обеспечивают связь между 90 странами. Запущенная в 1988 г. Трансатлантическая линия ТАТ-8 между США, Францией и Англией, работала также на длине волны 1,3 мкм и обеспечивала емкость 280 Мбит/с на 2 ОВ. До этого момента 65% всех международных каналов между США и Европой обеспечивалось с помощью спутников. В настоящее время более 75% всех каналов обеспечивается с помощью ОК. Через несколько месяцев после введение ТАТ-8 была запущена Транстихоокеанская линия ТРС-3, соединяющая США и Японию. Второе поколение ОК также использовало регенераторы, но уже работало на длине волны 1,55 мкм и на скорости передачи 560 Мбит/с на 2 ОВ. К этому поколению относятся ТАТ-9 (США – Канада – Англия, Франция – Испания), ТАТ-10 (США – Германия), ТАТ-11 (США – Англия – Франция) и ТРС-4 (США – Канада – Япония). ТАТ-9 обеспечивало электронное мультиплексирование и демультиплексирование в подводной части системы. Третье поколение ОК (1995 г.) обеспечивало начальный сегмент первой трансокеанской кольцевой системы ТАТ-12, ТАТ-13 и ТРС-5. На пару ОВ обеспечивалась скорость 5 Гбит/с синхронной цифровой иерархии, использовались эрбиевые усилители оптических сигналов и длина волны 1,55 мкм. Четвертое поколение ОК позволило использовать системы, которые обеспечивают прямое усиление оптических сигналов. Прогноз роста объемов передачи информации дальней связи отмечает, что пропускная способность и скорость передачи удваивается каждые два года. Подводные ОК должны обладать повышенной прочностью на разрыв и выдерживать давление воды – до 75 МПа. При конструировании подводных ОК приходится учитывать такие требования, как гибкость, устойчивость к шторму, необходимые при прокладке на дне и извлечении непосредственно со дна и из траншеи, подвеске к бонам при ремонте; простоту и быстроту ремонта. Необходимо учитывать, что стоимость самого ОК составляет значительную часть от стоимости всей системы. Конструкция кабеля для подводной системы зависит от места их прокладки. Существуют: глубоководные кабели с защитой от значительного гидростатического давления; кабели для прокладки в мелководных местах с защитой от сетей и якорей; кабели для прибрежной прокладки с повышенной механической защитой и кабели для прокладки в земле, траншеях к распределительному пункту для присоединения к наземной сети. При изготовлении кабеля необходимо добиваться минимума остаточных напряжений в ОВ. В настоящее время в лучших образцах она составляет 0,05% от допустимой. ОВ очень чувствительны к воздействию морской воды. При ремонте линии необходимо удалить куски ОК, в которых обнаружены следы воды. При наличии постоянного гидростатического давления скорость проникновения воды вдоль кабеля постоянна, но может быть уменьшена за счет применения гидрофобного заполнения. Структура заполнителя должна быть такой, чтобы он проникал во все пустоты внутри ОК, не оказывая влияния на ОВ и эффективно герметизируя кабель в продольном направлении. Другая проблема заключается в появлении внутри кабеля водорода, который отрицательно действует на ОВ. Водород может выделяться вследствие взаимодействия материалов, из которых изготовлен ОК, с морской водой. Недавние исследования показали, что наименьшего влияния водорода на ОВ достигают за счет металлизации поверхности волокна. Начаты исследования триаксиальной конструкции ОВ, которая также повышает его стойкость к воздействию водорода. Уменьшить влияние гидростатического давления на ОВ можно за счет использования в конструкции кабеля полой трубки, которая может быть выполнена из металла и несет на себе функции токопроводящей жилы. Сечение трубки и ее размеры часто определяет не давление, а требование по передаваемой электрической мощности. Трубку довольно часто выполняют из меди или алюминия. Кроме этого способа защиту от гидростатического давления можно осуществлять путем применения скрутки стальными проволоками, которые образуют прочную конструкцию. Армирующие стальные элементы должны обеспечить прочность не только при воздействии статических, но и динамических нагрузок. При двухслойном расположении проволок (направление скрутки проволок в слоях противоположное) добиваются нейтрализации крутящих моментов и исключают возможность возникновения петель. Кабель представляет собой аксиальную конструкцию, в центре которой расположен оптический модуль в виде герметичной трубки, изготовленной из нержавеющей стали со свободно расположенными оптическими волокнами. Поверх модуля располагается повив медных проводников дистанционного электропитания. Далее следуют промежуточная полиэтиленовая оболочка и внешние покровы, состоящие из бронеповива стальных проволок и наружной полиэтиленовой оболочки. На рисунке 11 представлена конструкция подводного ОК для прокладки на глубину до 400 м марки ПОК-400. Рис. 11. Конструкция подводного ОК марки ПОК-400 производства ЗАО «СевкабельОптик» с медными жилами для дистанционного питания: 1 – центральная трубка из полимерных композиций со свободно уложенным оптическим волокном или пучками волокон, заполненная гидрофобным компаундом; 2 – медная проволока (токопроводящая жила дистанционного электропитания); 3 – водоблокирующая лента; 4 - медная лента; 5 – промежуточная оболочка из полиэтилена высокой плотности; 6 – круглая стальная оцинкованная проволока; 7 – гидрофобный компаунд; 8 – наружная оболочка из полиэтилена высокой плотности Основные технические характеристики подводного кабеля марки ПОК-400: Количество оптических волокон в кабеле 2—48 Диаметр кабеля, мм 21,5 Масса кабеля, кг/км — в воздухе; не более 972 — в воде не более 625 Радиус изгиба, мм не менее 322 Стойкость к продольному растяжению, кН не менее 50 Стойкость к раздавливающим усилиям, кН/см не менее 1,5 Стойкость к радиальному гидростатическому давлению, МПа Температурный диапазон эксплуатации, ° С не менее 4,0 от минус 40 до плюс 40 Электрическое сопротивление токонесущего элемента дистанционного питания (совокупности медных проволок), Ом/км не более 1,0 Максимальная строительная длина кабеля, км — при поставке на барабане; 8 — при отгрузке на судно-кабелеукладчик 50 В стадии разработки и испытаний находятся и более мощные подводные оптические кабели. Уникальное географическое положение ЗАО «Севкабель-оптик» - цех по производству оптических кабелей расположен на берегу залива и имеет собственный глубоководный причал – позволяет существенно модернизировать процесс подготовки подводного кабеля к прокладке. Предприятие, обладая тенксами – емкостями для хранения больших строительных длин подводного кабеля, готово проводить комплексные работы по созданию будущих подводных ВОСП, включая монтаж муфт и оптических усилителей, накладку и тестирование линейного тракта. Причем эти работы возможно проводить в пределах кабельной секции на берегу в заводских условиях с последующей перегрузкой участка линии на борт судна – кабелеукладчика. Оптические кабели для прокладки внутри зданий Волоконно – оптические кабели внутренней прокладки, иногда называемые кабелями внутриобъектовой прокладки, используются для построения горизонтальной подсистемы и подсистемы внутренних магистралей структурированных кабельных систем (СКС). От кабелей внешней прокладки они отличаются по двум основным параметрам: - меньшим внешним диаметром и массой в сочетании с более высокой гибкостью за счет отсутствия гидрофобного заполнителя и применения облегченных упрочняющих покрытий без броневых покровов; - лучшими характеристиками пожарной безопасности. Волоконно – оптические кабели внутренней прокладки, применяемые в СКС, должны соответствовать требованиям пожарной безопасности. Свойства кабеля с точки зрения пожарной безопасности определяются материалом диэлектриков, используемых в его конструкции (главным образом, материалом внешней оболочки). ОВ кабелей рассматриваемой группы обязательно снабжаются вторичным защитным полимерным покрытием диаметром 900 мкм, которое без зазора уложено на первичное покрытие диаметром 250 мкм. Волокно в таком покрытии допускает непосредственную установку вилки оптического разъема без применения каких-либо дополнительных элементов. Удобство монтажа разъема достигается ценой некоторого увеличения коэффициента затухания по сравнению с кабелями внешней прокладки. Это, однако, не имеет существенного значения, так как согласно стандартам длина кабеля подсистемы внутренних магистралей не превышает 500 м. Для защиты кабельного сердечника от механических воздействий в кабелях внутренней прокладки используется слой кевларовых нитей, который расположен непосредственно под шлангом внешней оболочки. В отличие от кабелей внешней прокладки здесь наблюдается свободная укладка этих нитей без сплетения в оплетку. Кабели внутренней прокладки известны в двух основных конструктивных разновидностях. Изделия первой группы называются распределительными кабелями (distribution) и содержат ОВ в буферном покрытии 0,9 мм, которые вместе с кевларовыми упрочняющими нитями помещены в общую защитную оболочку. Их разделка осуществляется в коммутационных устройствах. В так называемых композитивных кабелях (breakout) каждое ОВ дополнительно помещено в защитный шланг внешним диаметром 2 – 3 мм. Таким образом, данное изделие может рассматриваться как конструктивный аналог многоэлементного электрического многопарного кабеля. Такие конструкции обладают большим внешним диаметром и механической прочностью, что определяется как наличием центрального силового элемента, так и дополнительным слоем кевларовых нитей под каждым индивидуальным защитным шлангом. Они ориентированы, в первую очередь, на изготовление претерминированных сборок и, как это следует из названия (breakout по-английски означает место отвода из многожильного кабеля), выполнение отводов отдельных ОВ без использования разветвительных муфт. Не исключается, хотя и редко применятся на практике, возможность изготовления многоволоконных соединительных шнуров. Пример конструкции кабелей внутренней прокладки показан на рис. 12, а в таблице приводятся типовые механические характеристики современных серийных изделий этого типа. Основная цель прокладки волоконно-оптических кабелей и соответствующего оборудования на участках, проходящих внутри здании, аналогична цели их прокладки на участках линейно-кабельных сооружений. Таким образом, конструкция, характеристики окружающей среды и механические характеристики, а также методы испытаний волоконно-оптических кабелей на участках, проходящих внутри зданий, в основном такие же, что и волоконно-оптического кабеля, применяемого на участках линейно-кабельных сооружений. Существенные различия состоят в использовании для оболочки материалов, не поддерживающих горение и в исключении гидрофобных компаундов, поскольку таковые не требуются. Система прокладки волоконно-оптического кабеля внутри зданий и помещений была разработана для сооружений как локальных сетей (сетей LAN), так и внутренних систем передачи, а также для реализации высокоскоростных широкополосных цифровых и видео конференц-связей. Защитная оболочка Конструкция модуля Кевраловые нити Полистирольная лента Конструкция модуля Защитная оболочка Кевраловые нити Цветная Волокон в оболочка буфере 0,9 мм Центральный силовой элемент До 12 волокон в модуле Цветная Волокон в оболочка буфере 0,9 мм а) Центральный силовой элемент Трубчатый модуль или мм б) Рис. 12. Основные варианты конструктивного исполнения кабелей внутренней прокладки: а) распределительный кабель (distribution); б) композитивный кабель (breakout) Типовые механические характеристики кабелей внутренней прокладки Параметр Число волокон Внешний диаметр кабеля, мм Значение 2 – 36 5 – 15 Рабочий температурный диапазон: - прокладка 0…+300С - эксплуатация -20…+700С Минимальный радиус изгиба: - прокладка 15 внеш. диаметров - эксплуатация 10 внеш. диаметров Максимально допустимое усилие на растяжение во время монтажа, Н 400 – 3000 Максимальное допустимое усилие на сдавливание, Н/см 1500 – 2000 Систему прокладки волоконно-оптического кабеля внутри зданий и помещений можно, в основном, классифицировать следующим образом: - основная распределительная часть, которая представляет собой систему прокладки кабеля в вертикальной кабельной канализации внутри шахтных стволов от панели MDF (главной панели переключений) к панелям IDF (промежуточным панелям переключений) или в таких местах соединения кабелей, как шкаф; - напольная распределительная часть, которая представляет собой систему горизонтальной прокладки кабеля между такими местами соединения кабелей, как шкаф, в/на стене, под полом, на полу; - оконечная часть, которая представляет собой систему прокладки кабелей, идущую от таких мест соединения кабелей, как шкаф, до устройства SDU (устройство цифровой связи) или выходов; часто в качестве оконечной части применяются одно- и двухволоконные кабели; - место соединения кабелей, волоконно-оптические кабели и относящиеся к ним устройства внутри зданий в отличие от внешних кабелей могут применяться на ограниченных участках сети электросвязи; при определении конструкции кабеля и относящихся к нему устройств необходимо очень тщательно рассматривать большое количество различных условий окружающей среды, чтобы обеспечить возможность непрерывного поддержания требуемых характеристик. Кабели для шнуров (patchcord cables), которые достаточно часто называются миникабелями, предназначены в первую очередь для изготовления коммутационных и оконечных шнуров. Механические характеристики данной разновидности кабельных изделий вполне позволяют применять их для построения горизонтальной проводки при реализации проектов «fiber to the desk» и «fiber to the room». В некоторых случаях ОК этого типа выполняются локальная разводка в помещениях аппаратных и кроссовых. Кабель для шнуров представляет собой фактически ОК внутренней прокладки, имеющий одно или два ОВ, которые в большинстве конструкций снабжены буферным покрытием диаметром 0,9 мм. Необходимую механическую прочность такому изделию придает слой кевларовых нитей, который расположен между волокном и внешней оболочкой. Основные варианты конструктивной реализации ОК для шнуров изображены на рис. 13. Изделия первого поколения делились на одинарные (рис. 13а) и двойные по количеству шлангов защитной оболочки. Подавляющее большинство разновидностей современного сетевого оборудования использует в процессе своей работы два световода, поэтому одинарные кабели применяются на практике достаточно редко. Двойные ОК классической конструкции изготавли- ваются без дополнительной общей оболочки (рис. 13б) или с общей оболочкой различной формы и толщины (рис. 13в). Следует отметить, что для СКС в настоящее время в основном используются ОК зарубежного производства. Из отечественных производителей ОК внутренней прокладки следует отметить ООО «Сарансккабель - Оптика», которое серийно выпускает ОК с одно и многомодовыми ОВ марки ОКСн-Р (Distribution), а также миникабели ОКСн-С (Simplex) и ОКСн-Д (Duplex). Световод Оболочка Кевларовые нити а) б) в) Рис. 13. Конструкции кабелей для шнуров: а) одинарный (simplex); б) двойной типа zip-cord; в) двойной типа heavy duty duplex Лекция 6 Структура оптических сетей доступа Использование волоконно-оптических технологий на сетях доступа накладывает особые требования к конструкции оптических кабелей. Структурная схема оптической сети доступа по технологии FTTH PON состоит из трех основных участков (рис. 1): – станционный участок, включающий активное оборудование OLT и оптический кросс высокой плотности ODF, смонтированные в узле агрегации оператора; – линейный участок, включающий оптический кабель, оптические муфты, распределительные шкафы (ОРШ), сплиттеры (разветвители), оптические распределительные коробки (ОРК), коннекторы и соединители, располагающиеся между станционным и абонентским участком (участок между ODF и ОРК); – абонентский участок, представляющий собой абонентскую разводку от элементов распределительных устройств до оптической розетки и активного оборудования ONT в квартире абонента или до группового сетевого узла ONU, смонтированного в офисе корпоративного клиента (участок между ОРК - ONT). Абонентский участок ОРК ONU Линейный участок абонентский кабель G.657 ОРК распределительный участок G.652.D / G.657 Станционный участок ОРК Узел агрегации ODF магистральный участок G.652.D ОРШ OLT сплиттер Рис. 1. Схема оптической сети доступа FTTH PON Станционный участок OLT располагается в помещении АТС, район обслуживания которой определяет зону охвата сетью PON. Активное станционное оборудование PON, в качестве которого выступает OLT, связывает оконечное оборудование абонентов с сетью Интернет и другими источниками услуг по передаче голоса, данных и видео (услуга Triple Play). Линейные порты PON оборудования OLT подключаются к оптическому кроссу высокой плотности ODF с помощью оптических шнуров (патч-кордов) или оконцованных микрокабелей (претерминированных производителями кабельных сборок). Оптический кросс ODF предназначен для распределения ВОК по направлениям, перекроссировки (коммутации) и соединения со станционным ОК через сплайс-пластины (кассеты и боксы для сварных соединений). В качестве ODF на станционном участке могут использоваться стандартные многопортовые стоечные оптические кроссовые шкафы. На рис. 2 приведены примеры оптических кроссов производства ЗАО ―Связьстройдеталь‖, а в таблице 1 приведены основные характеристики. Следует отметить, что данная серия шкафов может быть установлена, как на стороне станции, так и на распределительной сети PON. На распределительной сети шкаф устанавливается в подвальных или чердачных помещениях с использованием антивандальных шкафов со стеновым крепежом. а) б) в) Рис. 2. Стоечные оптические шкафы: а) ШКОС-С-1U; б) ШКОС-С-2U; в) ШКОС-С-3U Таблица 1. Параметры ШКОС ШКОС-С-1U ШКОС-С-2U ШКОС-С-3U 24 48 96 Максимальное количество 4 или 2 8 или 4 12 или 6 тран- вводимых кабелей транзитных транзитных зитных Максимальное количество оптических портов Тип телекоммуникационной стойки Габариты корпуса, мм 19‖, 23‖, метрический стандарт 44x430x310 88x430x310 132x430x310 Кроссовые шкафы традиционной конструкции (например, ШКОС-М производства ЗАО ―Связьстройдеталь‖) также могут использоваться как на стороне станции, так и на распределительной сети PON. На распределительной сети шкаф устанавливается в подвальных или чердачных помещениях с использованием антивандальных шкафов со стеновым крепежом. Рис. 3. Стоечный оптический шкаф ШКОС-М Таблица 2. Параметры ШКОС-М Параметры Максимальное количество оптических портов Максимальное количество вводимых кабелей Тип телекоммуникационной стойки Габариты корпуса, мм ШКОС-М-1U ШКОС-М-2U 24 48 2 4 19‖, 23‖, метрический стандарт 44х430х240 88х430х240 Интерес представляет новое поколение оптических стоечных кроссовых шкафов: серия выдвижных ШКОС-хВ и серия поворотных ШКОС-хП шкафов (x = 2, 4,6 - количество полуюнитов). Отличительная особенность новой серии заключается в том, что зона монтажа и кросс-коммутации дополнительно раз- бита на независимо выдвигаемые полуюниты. Таким образом, в стандартном размере 1U размещается две выдвижные или поворотные полки для монтажа 24 ОВ, укомплектованные адаптерами FC или SC. Поворотный вариант отличается уменьшенной глубиной корпуса и может устанавливаться в шкафы и стойки глубиной 300 мм. Удобное решение для реорганизации сети PON в условиях ограниченного бюджета. Кроссы выпускаются в исполнении 1U, 2U, 3U и имеют емкость соответственно 48, 96 и 144 порта. Фиксация выдвижных и поворотных панелей осуществляется с помощью пластмассовых защелок. Шкафы комплектуются новыми кассетами К24, предназначенными для использования КДЗС длиной 45 мм, диаметром 2,5 мм после усадки. Основные параметры приведены в таблицах 3 и 4. а) б) Рис. 4. Оптические стоечные кроссовые шкафы а) выдвижной ШКОС-хВ; б) поворотный ШКОС-хП Таблица 3. Параметры выдвижных оптических кроссов Параметры ШКОС-2В-1U ШКОС-4В-2U ШКОС-6В-3U 48 96 144 2 2 3 Максимальное количество оптических портов FC/SC/LC Максимальное количество вводимых кабелей Тип телекоммуникацион- 19‖, 23‖, метрический стандарт ной стойки Габариты корпуса, мм 430х270х44 430х270х88 430х270х133 Вес, кг 4,9 9 13 Таблица 4. Параметры поворотных оптических кроссов Параметры ШКОС-2П-1U ШКОС-4П-2U ШКОС-6П-3U 48 96 144 2 2 3 Максимальное количество оптических портов FC/SC/LC Максимальное количество вводимых кабелей Тип телекоммуникацион- 19‖, 23‖, метрический стандарт ной стойки Габариты корпуса, мм 430х192х44 430х192х88 430х192х132 Вес, кг 3,5 6,8 10,2 Оптические кроссы поворотной конструкции производится рядом зарубежных и отечественных производителей. На рис. 5 в качестве примера приведена продукция НТЦ ―ПИК‖. Рис. 5. Панель оптическая распределительная поворотная ПОР-П-4U Особенности конструкции: -поворотная направляющая позволяет выдвигать днище ПОР с его внутренним содержимым для обслуживания и ремонта, не вынимая панель из стойки и не прекращая работу подключенного оборудования; - оптимальная плотность монтажа обеспечивает возможность размещения до 96 портов; - передняя панель позволяют комплектовать ПОР разъемами различных типов: FC, FC-D, ST, SC duplex, LC duplex; - предусмотрено место для выкладки запаса оптических модулей и оптических шнуров; - возможность ввода кабеля параллельно и перпендикулярно задней стенки; -кабельные вводы позволяют вводить до 6-ти кабелей диаметром до 20 мм с заземлением и фиксацией центрального силового элемента оптического кабеля. При значительном количестве портов применение получают решения высокой плотности монтажа, предназначенные для ввода большого количества оптических кабелей (нескольких десятков и более) в конструктивы стандарти- зованных типоразмеров, монтажа и кросс-коммутации оптических волокон, организации входящих исходящих и коммутационных кабелей (патчкордов). Шкафы и стойки высокой плотности монтажа ОВ целесообразно использовать при концентрации в одной аппаратной большого количества оптических портов (не менее 100…200). Максимальная емкость решения высокой плотности составляет, как правило, не менее 1000 ОВ в одном конструктиве высотой 2 , 2,2 или 2,6 м. Подобные решения обеспечивают быстрый доступ к оптическому кабелю для монтажа и кросс-коммутации. Для этого выделяются отдельные зоны для крепления многоволоконных кабелей, для сварки волокон и для выкладки и хранения запасов патчкордов, что упрощает задачу монтажа и обслуживания (переключений) большого количества оптических портов. Модульность позволяет постепенно увеличивать емкость стойки по мере роста сети и ввода новых кабелей, что снижает расходы на подключение новых абонентов. Примером подобного решения может служить волоконно-оптическая коммутационная стойка ВОКС-2000 производства компании ЗАО ―Связьстройдеталь‖. ВОСК-200 базируется на стандартной телекоммуникационной стойке или шкафе размерности 19‖ c полезной высотой не менее 42U (см. рис. 6). Входящие и исходящие многоволоконные кабели фиксируются и разделываются до модулей в специализированных разветвительных узлах ввода (ВКР). Здесь же при необходимости происходит заземление металлических элементов кабелей. Узлы ввода ВКР имеют различную конструкцию и состав в зависимости от конструкции (см. рис. 7). На одной 19'' панели может размещаться от 10 до 42 узлов ввода, в зависимости от их исполнения и конструкции несущих панелей. От узлов ввода оптические волокна в модулях, помещенных в специальные транспортные трубки, поступают в кроссовые модули, где свариваются с пигтейлами. На лицевой панели кроссового модуля устанавливаются оптические адаптеры. Высота кроссового модуля составляет 0,5U. Кроссовые модули имеют номинальную емкость 24 ОВ (для FC, SC) или 48 ОВ (LC). Для установки модулей в конструктив стойки или шкафа используются 19'' корпуса высотой 1U, 2U или 3U, объединяющие соответственно 2, 4 или 6 кроссовых модулей. а б Рис. 6. Система ВОКС-200: а) стоечное исполнение; б) шкафное исполнение а) ВКР-1 б) ВКР-2 Рис. 7. Узел ввода оптического кабеля Для удобства монтажа и обслуживания ОВ, внутренняя часть модуля с кассетой и панелью с адаптерами может выдвигаться или поворачиваться (в зависимости от конструкции) (см. рис. 8). а) б) Рис. 8. Кроссовые модули: а) выдвижной; б) поворотный Для организации патчкордов, подключенных к портам кроссовых модулей, используются специальные фронтальные и боковые органайзеры для укладки запаса длины патчкордов. Для решений FTTх любой архитектуры с большим количеством оптических вводов компания 3М предлагает волоконно-оптический кросс большой емкости серии MODF (см. рис. 9) Оптический кросс MODF строится по модульному принципу. В качестве ячейки использован модуль с фронтальным расположением 12-ти оптических розеток (см. рис. 8, б). Внутри модуля расположена оптическая кассета для размещения сварных сростков волокон кабеля с 900 мкм пигтейлами. Оптические модули устанавливаются в полку высотой 3U, емкость одной полки – 144 порта. Преимуществом модульной конструкции является возможность наращивать емкость кросса по мере необходимости. Максимальная емкость – до 1440 оптических портов в одном шкафу высотой 2,2 м. В кроссе пре- дусмотрена возможность совмещения разъемов различного типа при необходимости. Кросс может быть установлен у стены, в ряду или в виде отдельно стоящего шкафа. Для доступа к обратной стороне кросса в случае пристенного расположения возможно использование шкафа с поворотной рамой. а) б) Рис. 9. Оптический кросс MODF: а) стойка; б) 12 портовый модуль Аналогичные системы высокой плотности монтажа также поставляют: - компания Huber+Suhner AG: коммутационно-распределительная систем LISA™ (до 2560 портов на 1/4 кв. метра площади); - ADC Krone: OMX 600; - НТЦ ―ПИК‖: кросс модульный оптический КМО; и т.д. Линейный участок Технологии и методы строительства линейного участка определяются топологией сети и характером участка (например, многоквартирный дом или коттеджный поселок). Строительство линейного участка является одной из наиболее трудоемких операций, включающей монтаж значительного количества многопортовых оптических разветвителей и многоволоконного распределительного оптического кабеля. В сети PON от ОРШ до оконечных устройств абонентов (ONT, ONU) связь осуществляется через пассивные оптические разветвители (сплиттеры), которые устанавливаются в оптических распределительных коробках (ОРК) и/или в оптических распределительных шкафах (ОРШ). Также сплиттеры могут устанавливаться в оптических муфтах, например при построении PON для коттеджных поселков. На линейном участке выделяют: – магистральный участок, представляющий собой оптический кабель, прокладываемый от кросса ODF на АТС в направлении территории с большой группой зданий (район, квартал) и завершающийся ОРШ; – распределительный участок, представляющий собой оптический кабель, прокладываемый от ОРШ до ОРК преимущественно внутри зданий по вертикальным стоякам. Магистральный участок сети PON является одним из основных элементов всей пассивной оптической сети. Правильный выбор системы построения сети и ее топологии, определение условий и принципов организации доступа позволяют оптимизировать затраты на развитие сети в дальнейшем. На участке сети PON от АТС до оптического распределительного шкафа (ОРШ), находящегося в зоне обслуживания АТС, производится магистральное распределение ОВ. Главная задача магистрального участка – подвести требуемое количество ОВ максимально близко к сконцентрированной группе абонентов наиболее оптимальным образом с учетом топологии и емкости кабельной канализации. На окончании магистрали устанавливается ОРШ, ОРК или специальная механическая оптическая муфта с облегченным доступом к ОВ. В городских условиях прокладка магистрального ОК может производиться в кабельной канализации и производиться подвеска на опорах городской сети освещения или между зданиями по крышам. В отдельных случаях в коттеджных поселках может применяться прокладка в грунт. Как привило, при этом используются стандартные конструкции оптических кабелей: для прокладки в канализации – ОК, бронированный стальной гофролентой (в некоторых случаях применяется броня из стальных проволок), а для подвески может использоваться как полностью диэлектрический кабель с силовыми элементами в виде арамидных нитей, так и ОК с выносным силовым элементом из стеклопластика или стального троса (ОК типа ―восьмерка‖). Наряду с многомодульной конструкцией кабеля с выносным силовым элементом распространение получает одномодульная конструкция кабеля, в которой все ОВ уложены в относительно толстостенную трубку. Как правило, в таких кабелях размер несущего троса совпадает по размеру или близок к оптическому модулю, поэтому сечение имеет вид симметричной восьмерки. Это удобно В мономодульных кабелях воздушного применения количество волокон доходит до 48, прочность на разрыв – до 12 кН. В качестве вынесенного силового элемента может использоваться стальной трос, стеклопластиковый пруток или стальная проволока (отводной кабель, «drop cable»). Мономодульные кабели гораздо меньше в поперечных размерах по сравнению с традиционными многомодульными конструкциями и соответственно менее подвержены гололедно-ветровым нагрузкам. Монтаж одномодульного малогабаритного ОК удобнее, а разделка в муфте позволяет не разрывать волокна, кроме тех, которые нужно состыковать с волокнами отводного кабеля. В качестве несущего элемента ОК чаще всего используется оцинкованный стальной трос плотной скрутки «6 + 1», позволяющий ОК оптимально «ра- ботать» как на растяжение, так и на сжатие, при плюсовых и минусовых температурах. Одномодульный ОК современной конструкции может содержать до 48 волокон при толщине троса в оболочке 5,5 мм и модуля в оболочке 5,5 мм. Внешняя оболочка кабеля изготавливается из полиэтилена средней или высокой плотности, имеющего высокую механическую стойкость на разрез. При количестве ОВ в ОК более 16, волокна группируются в пучки и обматываются скрепляющими цветными нитями. При монтаже кабеля его можно скрутить между точками крепления в спираль с шагом 2 м и более. Скрутка подавляет явление галопирования при сильном ветре. Как правило, стоимость одномодульного ОК ниже стоимости аналогичного по параметрам многомодульного, если кабели обоих типов изготовлены из качественных компонентов. Подобный кабель выпускают как зарубежные, так и отечественные производители. На рис. 10 приведена конструкция одномодульного ОК производства ЗАО ―Самарская оптическая кабельная компания‖. Рис. 10. Оптический кабель ОКЛЖ-ВС-(ВД)-МТ (ЗАО ―СОКК‖) 1 – вынесенный силовой элемент; 2 – наружная полиэтиленовая оболочка; 3 – центральная трубка из ПБТ; 4 – гидрофобный заполнитель; 5 – оптические волокна В маркировке данного типа ОК ВС обозначает выносной силовой элемент (СЭ) в виде стального троса, а ВД – диэлектрический стеклопластиковый пруток. Таблица 5. Параметры одномодульного ОК (ЗАО ―СОКК‖) Кол-во ОВ Допустимая растягивающая нагрузка, кН до 12 5,5 до 24 до 12 до 24 до 12 до 24 до 12 до 24 Диаметр по Максимальные оболочке габаритный вынесенного размер СЭ, мм кабеля, мм Кабель ОКЛЖ-ВС-МТ-… 4,5 60 10,7 10 11,2 10 11,2 70 71 80 79 88 Кабель ОКЛЖ-ВД-МТ-… 5 10 11,2 45 55 7 5 9 5 3,5 9,5 Расчетный вес кабеля, кг/км Также, применение получают малогабаритные ОК плоской конструкции (например, оптический кабель марки ИК/Д2 производства Интегра-кабель) (см. рис. 11). ИК/Д2 представляет собой подвесной оптический кабель на основе центральной трубки с двумя параллельными диэлектрическими внешними силовыми элементами. Оптические кабели марки ИК/Д предназначены для подвески на опорах линий связи, между зданиями и сооружениями. Допускается подвешивать кабель на контактной сети железных дорог, опорах линий электропередач в точках с максимальной величиной потенциала электрического поля до 12 кВ, а также с максимальной величиной потенциала электрического поля до 25 кВ (ИКТ/Д). Преимуществами данного кабеля являются малые габариты и более низкая стоимость по сравнению с подвесными ОК с арамидными нитями. За счет малого веса габаритов данная конструкция ОК позволяет существенно снизить нагрузку на монтажные стойки. Рис. 11. Оптический кабель ИК/Д2 (Интегра-кабель): 1 – оптические волокна; 2 – гидрофобное заполнение; 3 – полимерная трубка; 4 – стеклопластиковые силовые элементы; 5 - полиэтиленовая оболочка Распределительный участок Распределительным участком сети PON является участок между ОРШ и этажной распределительной коробкой (ОРК) в многоэтажных жилых зданиях. Распределительный ВОК выходит из ОРШ и прокладывается внутри зданий по вертикальным стоякам или в металлорукаве (поливинилхлоридной трубе) по лестничным клеткам, от подвального до чердачного помещения через все этажи здания (направление выбирается по месту размещения ОРШ). При размещении распределительного кросса вне здания (телекоммуникационный шкаф в уличном исполнении) в распределительный участок входят: – участок сети от ОРШ до кабельного ввода в жилой дом; – распределительные устройства непосредственно в жилом доме. На этапе проектирования вертикального распределительного участка здания, выборе типа ОК и оконечного оборудования необходимо руководствоваться следующими принципами: – простота подключения; – максимальная оперативность подключения квартиры абонента к вертикальному распределению при появлении заявки в будущем; – минимальная стоимость кабельных изделий и материалов. Также общей тенденцией реализации распределительного и абонентского участков является стремление по возможности минимизировать или исключить работы по сращиванию оптических волокон. При реализации распределительной домовой сети многоквартирных зданий типовым вариантом перехода к абонентской разводке схемой является размещение ОРК на этаже. При монтаже вертикального распределительного участка в здании учитывается ряд характеристик здания, наиболее важными из которых являются: – количество квартир на этаже; – доступность слаботочных ниш и наличие свободного пространства в них; – возможность прокладки ОК в вертикальных каналах здания. При проектировании распределительного участка в доме следует предусматривать емкость вертикального ОК с учетом 100 % подключения абонентов. Следует использовать ОК емкостью, наиболее близкой к количеству квартир в подъезде с учетом возможного запаса ОВ. На каждом этаже должно быть предусмотрено необходимое количество ответвлений, достаточное для подключения всех квартир на этаже. При строительстве вертикальной подсистемы допускается применение как сварных соединений, так и механических соединений. Как правило, вертикальный распределительный ОК проходит транзитом через ОРК с отделением соответствующего модуля, который затем соединяется через разъемные коннекторы с абонентским ОК. При размещении ОРК в стороне от ОК вертикальной прокладки из ОК выводится соответствующий модуль, который помещается в защитную трубку. На месте ответвления устанавливается этажный ответвитель. Пожаробезопасность является важным аспектом при построении домовых кабельных систем. Прокладка ОК не должна ухудшать параметры пожарной безопасности здания. На пожарную безопасность влияют как выбор типа кабеля, так и способ его прокладки. Пожаробезопасные кабели являются огнезащищенными или пожарозащищенными (FR), не содержат галогенов (HF) и обладают низким дымообразованием. Характеристику кабеля по пожарной безопасности принято указывать с помощью комбинации букв, отражающих его свойства. Наиболее распространенные комбинации: FRNC - огнезащищенный, неагрессивный; LSОH - с низким дымообразованием, с нулевым содержанием галогенов; LSZH - с низким дымообразованием, с нулевым содержанием галогенов; HFFR - без галогенов, огнезащищенный; FRZH - огнезащищенный, с нулевым содержанием галогенов; LSFRZH - с низким дымообразованием, огнезащищенный, с нулевым содержанием галогенов. Один из способов реализации распределительного участка заключается в прокладке длинных и тонких кабелей с одним или двумя волокнами от оптического разветвительного шкафа до квартир абонентов. Вначале прокладываются вертикальные каналы из пластиковых труб и на этажах устанавливаются распределительные коробки. После этого абоненты готовы к подключению («пройденные» абоненты, но не оптикой, а каналом для нее). При подключении от центрального оптического кросса, установленного в центре дома, проводится длинный абонентский претерминированный кабель прямо в квартиру. При этом от распределительной коробки к абоненту в квартиру проводится кабельканал или пластиковый гофрорукав. Основными достоинства данного подхода заключаются в отсутствии одиночных сварок в подъездах, простота монтажа и эффективность при малом проценте охвата в особенности для малоэтажных зданиях. Однако данный подход имеет и ряд существенных недостатков: - при подключении конкретного абонента возникает необходимость прокладки длинных отрезков ОК от абонента к ОРШ через множество распределительных коробок; - как правило, требуется строительство нового вертикального стояка диаметром не менее 50 мм; - для высотных зданий (количество этажей свыше 9) при большом проценте охвата возникают проблемы при протяжке ОК; - используется большая номенклатура претерминированных кабелей. Конструкция претерминированного ОК для данного варианта, как правило, аналогична стандартным монтажным шнурам: ОВ в буферном 900 мкм покрытии, силовые элементы из арамидных нитей, негорючая оболочка. В настоящее время претерминированные ОК подобного типа производятся рядом отечественных производителей. Рис. 12. Претерминированный оптический кабель Также для строительства распределительного и абонентского участка могут применяться многоволоконые претерминированные кабельные сборки, представляющие собой строительную длину оптического кабеля необходимой длины, волокна которого в промышленных условиях оконцованы оптическими коннекторами. При этом исключается необходимость сращивания или оконцевания ОВ на лестничной площадке или в помещении абонента. Оптические коннекторы кабельной сборки имеют специальную защиту, позволяющую прокладывать кабель без нарушения целостности конструкции. Конструкция защитной арматуры кабельной сборки позволяет осуществлять протяжку кабеля через кабельный канал за специальный коуш. После прокладки и фиксации кабеля защита удаляется и сборка готова для подключения к оборудованию. Использование при строительстве ВОЛС претерминированных кабельных сборок позволяет существенно снизить время и стоимость монтажных работ, так как нет необходимости проводить измерения оптических параметров линии после прокладки Для осуществления монтажа претерминированных кабельных сборок разработаны специализированные конструкции оптических кроссов, позволяющие осуществить надежное крепление кабельной сборки в корпусе. В зависимости от условий эксплуатации для изготовления кабельных сборок используется кабели различных типов и конструкции. Монтаж распределительного участка при этом выполняется следующим образом: свободный конец претерминированного ОК, заведенного и смонтированного в этажном миникроссе, прокладывается по вертикальному стояку до оптического распределительного шкафа, а сам миникросс устанавливается на этаже и далее в квартиру абонента по кабель-каналу прокладывается патчкорд или пигтейл. Для экономии средств при реализации данного подхода этажные миникроссы устанавливаются лишь на тех лестничных клетках, где появляются первые клиенты. Претерминированные ОК могут быть тонкими (5 мм), бронированными и в оболочке, не поддерживающей горение. Подобная конструкция упрощает протяжку ОК по вертикальному стояку и допускает использование штатных труб подъездного стояка. . а) б) Рис. 13. Претерминированная кабельная сборка а) многоволоконная сборка; б) сборка, смонтированная в кроссе К достоинствам данного подхода следует отнести отсутствие необходимости выполнения операции сращивания ОВ на лестничных площадках, возможность использования бронированного ОК антивандального исполнения. Недостатки заключаются в необходимости строительство нового стояка при загруженных каналах штатного стояка, возможные проблемы при протяжке ОК в загруженном канале и большая номенклатура кабелей, присоединенных к миникроссам. Другой метод заключается в использование специальных кабелей с выведенными из них модулями с оконцованными ОВ на уровне каждого этажа многоквартирного дома. Например, решение компании Corning ClearCurve™ Riser Cable Assembly (см. рис. 14). Из кабельной сборки на уровне каждого этажа здания (например, через каждые три метра) выведен один или несколько модулей, расходящихся в конце на отдельные волокна в защитной оболочке. Волокна оконцованы в фабричных условиях внутренними частями коннекторов. Вначале выведенные модули прилегают к телу основного кабеля и обмотаны защитной пленкой. Кабель прокладывается вдоль стояка, защитная пленка разрезается при помощи рип-корда и на коннекторы надеваются внешние части. На место ответвления модуля монтируется распределительный этажный миникросс. Абоненты подключаются к миникроссу патчкордами или пигтейлами. Рис. 14. Corning ClearCurve™ Riser Cable Assembly Для организации домовой распределительной сети в многоквартирных зданиях удобной и эффективной является конструкция оптического кабеля с прямым доступом к оптическому модулю/волокну. Структура подобного кабеля позволяет прямой доступ к каждому ОВ в любой точке, что упрощает монтаж и сокращает время инсталляции. Гибкий модуль может быть извлечен на длину от 5 до 25 м. На рис. 15 приведен пример конструкции подобного кабеля производства ACOME. Рис. 15. Конструкция оптического кабеля ACOME – H-PAC: 1 -оптический модуль; 2 - периферийные силовые элементы из стеклопластика; 3 - внешняя оболочка; 4 - выпуклости на оболочке. Особенностями данной конструкции являются: - оболочка оптического модуля выполнена в виде тонкой полимерной пленки, что обеспечивает его гибкость; - четыре оптических волокна в одном модуле; - отсутствует гидрофобное заполнение сердечника; - силовые элементы выполнены в виде двух стеклопластиковых прутков в оболочке; - оболочка выполнена из компаунда, не поддерживающего горение с низким выделением дыма и не содержащим галогенов; - на оболочке имеются выпуклости по всей длине кабеля, указывающие на место вскрытия кабеля. Основные параметры приведены в таблице 6. Оптические кабели подобной конструкции выпускает ряд зарубежных производителей, например, Draka, Prysman Verticasa и т.д. Таблица 6. Основные технические параметры ACOME – H-PAC Диаметр Вес кабеля, кабеля, мм кг/км 8.5 60 Механические характеристики Раздавливающая Растягивающая нагрузка, нагрузка, Н/10 см Н не менее 80 400 Радиус изгиба, мм 85 Существуют варианты распределительного кабеля схожей конструкции, за исключением того, что волокна в них находятся каждое по отдельности в буферном покрытии 900 мкм (см. рис. 16). Свободное размещение также позволяет выводить значительные по длине участки волокна через разрез в кабеле. Количество волокон в подобных кабелях как правило составляет от 2 до 48. В конструкцию подобных ОК могут включаться армирующие арамидные нити, обеспечивающие стойкость к растягивающим усилиям. Наличие буферного покрытия 900 мкм позволяет упростить вывод ОВ из кабеля и упростить работу с ОВ при монтаже, если ОРК на этаже не используется. Рис. 16. Конструкция распределительного оптического кабеля с волокнами в 900 мкм буферном покрытии. Общий алгоритм монтажа распределительной сети на основе подобного кабеля можно представить в следующем виде: 1-й этап. Устанавливается распределительный шкаф с оптическим разветвителем. 2-й этап. Прокладывается вертикальный распределительный кабель с упрощенным доступом к ОВ. 3-й этап. В оболочке кабеля специальным инструментом прорезывается окно на 2-3 этажа выше или ниже подключаемого абонента, в зависимости от места расположения распределительного шкафа. Модуль, который необходимо будет выводить, перерезается. а) б) в) Рис. 17. Монтаж распределительного ОК: а) вскрытие ОК; б) ОК с прорезанным окном; в) вывод оптического модуля Вырезанное окно закрывается защитной коробкой (на рис.18 приведена защитная коробка системы Prysmian Verticasa) или, если на данном этаже также предполагается вывод модуля, устанавливается этажный ответвитель или распределительная коробка с возможностью транзитного ввода кабеля. Рис.18. Защитная коробка для вертикального кабеля системы Prysmian Verticasa 4-й этап. Для вывода из кабеля оптического модуля прорезывается окно на этаже подключаемого абонента и вытягивается требуемый модуль. На место вскрытия ОК устанавливается этажный ответвитель или распределительная коробка. Основными требованиями к оптическим распределительным коробкам (ОРК), монтируемых с вертикальным распределительным кабелем, являются: - возможность транзитного ввода кабеля, без разрезания ОК; - место для укладки запаса оптических модулей и сростков ОВ; - антивандальное исполнение. Абонентский участок Абонентский участок (абонентская разводка) представляет собой участок от этажной ОРК до квартиры абонента, завершенный абонентской оптической розеткой. К абонентскому участку также относится активное ONT (ONU), являющееся обязательным компонентом сети PON, управляемым OLT. При строительстве абонентского участка должны соблюдаться следующие основные требования: – минимальное время присутствия монтажников в квартире; – монтаж на стороне абонента с использование минимума сложного и дорого монтажного оборудования; – монтаж индивидуального устройства ONT рядом с оптической и электрической розетками; – возможность прокладки медных кабелей по помещению устройств – компьютеров, телефонов и телевизоров по согласованию с абонентом. Пример конструкции ОК для прокладки от распределительного бокса на этаже до абонентской розетки приведен на рис.19. ОКСн-С — одноволоконный оптический миникабель с одномодовым волокном производства ООО "Сарансккабель-Оптика". Силовым элементом является повив арамидных нитей. Поскольку такой тип силового элемента не обеспечивает стойкости к раздавливающим нагрузкам данный кабель предполагается прокладывать в защитной гофротрубе. Рис. 19. Конструкция оптического кабеля ОКСн-С: 1 - оптическое волокно; 2 - буферное покрытие; 3 - арамидные нити; 4 – пожаробезопасная оболочка Таблица 8. Основные технические параметры ОКСн-С Диаметр кабеля, мм Вес кабеля, кг/км 3 12 Механические характеристики Раздавливающая наРастягивающая Радиус грузка, нагрузка, изгиба, мм Н/10 см Н не менее 20 350 60 Также абонентский кабель может быть выполнен в выполнении плоской конфигурации (см. рис. 20). В качестве силовых элементов здесь выступают два стеклопластиковых стержня. Особенностью ОК данной конструкции является упрощенная операция разделки: для доступа к ОВ достаточно надрезать перемычку в оболочке. Рис. 20. Конструкция абонентского оптического кабеля 1 - негорючая оболочка (HFFR / LSOH ); 2 - стеклопластиковый пруток; 3 - выемки для вскрытия; 4 - оптические волокна Для обеспечения максимальной защиты ОВ на абонентском участке ЗАО ―Связьстройдеталь‖ предлагает армированные оптические шнуры ШОС-А. В данной конструкции оптическое волокно в 900 мкм буфере с повивом арамидных нитей дополнительно защищено гибкой металлической трубкой и металлической оплеткой. Данный ОК допускается прокладывать в подъездах жилых домов без дополнительной защиты. Коннекторы SC или FC могут быть установлены с одной или двух сторон. Абонентский кабель, заведенный в помещение, монтируется в абонентской розетке. Основные требования абонентским оптическим розеткам: - конструкция должна быть малогабаритной и иметь эстетичный внешний вид; - возможность выкладки запаса ОВ; - возможность размещения гильзы сварного соединения или механического соединителя; - корпус должен быть выполнен из пожаро и экологически безопасного материала. На рис. 21 приведены абонентские розетки ЗАО ―Связьстройдеталь‖. а) б) Рис. 21. Абонентские розетки ЗАО ―Связьстройдеталь‖ а) ШКОН-ПА-1; б) ШКОН-ПА-2 Выпускаются два варианта – однопортовая и двухпортовая. Конструкцией предусмотрено крепление стандартных адаптеров SC, размещение запаса ОВ и механического соединителя или КДЗС. Внешний вид приближен к стандартным бытовым электроустановочным изделиям. На рис. 22 приведен абонентский настенный модуль для внутреннего монтажа CPWO производства Tyco Electronics. CWPO представляет собой компактный настенный модуль для двух оптических разъемов и одного разъема RJ45. Модуль обеспечивает надежную механическую защиту волокон и технологичный доступ к пассивным компонентам абонентской сети. CWPO обладает возможностью наружного или внутреннего монтажа, совместим со всеми стандартными электрическими боксами, допускается применение всех существующих коннекторов, включая сварные соединения и RECORDsplice. Минимальный радиус изгиба запаса ОВ 20 мм. Возможны варианты установки платы для одного разъема SC или двух LC. CWPO обеспечивает универсальность решения при комбинированном подключении медной и оптической внутренней разводки. Ввод кабеля может производиться нижней, боковой и тыльной сторон. Рис. 22. Абонентский настенный модуль CPWO На рис. 23 приведена абонентская розетка семейства OAsys производства Prysmian, предназначенная для использования внутри жилых и офисных помещений. OAsys служит для распределения до 2 оптических волокон. Ввод абонентского ОК может производиться нижней, боковой и тыльной сторон. Вывод патчкордов в основании коробки через два разъема SC. Откидная площадка, упрощает доступ к разъемам и кабельным вводам. Все волокна при размещении в коробке имеют радиус изгиба не менее 20мм. Корпус изготовлен из огнестойкого материала, соответствующего UL94-VO. Рис. 23. Абонентская розетка семейства OAsys Prysmian