Волоконно-оптические кабели связи

В данную группу входят кабели, состоящие из кварцевых оптических волокон (ОВ) (световодов), обеспечивающих распространение световых сигналов. Для обеспечения стабильной работы ОВ и уменьшения опасности их разрыва под воздействием продольных и поперечных напряжений, волокна защищают первичными и вторичными покрытиями. Первичное покрытие, накладываемое сплошным слоем непосредственно на оболочку ОВ после его вытяжки, предохраняет поверхность ОВ от повреждения и придает ему дополнительную механическую прочность. В качестве вторичного покрытия ОВ используются:

• трубка или паз со свободно размещаемыми в них ОВ с первичным защитным покрытием;
• сплошное полимерное покрытие;
• ленточный элемент, в котором, образуя линейную матрицу, размещаются ОВ с первичным защитным покрытием.

В трубчатом элементе (трубке), выполняющем роль вторичного защитного покрытия, свободно размещаемые ОВ с первичным защитным покрытием обычно укладываются без скрутки либо путем скрутки вокруг центрального силового элемента.

ОВ с защитным покрытием является «главным действующим лицом» волоконно-оптического кабеля, аналогичного изолированной токопроводящей жиле электрического кабеля связи.
Волоконно оптические кабели предназначаются для сетей передачи данных со скоростью передачи до 1 терабит в секунду.

Справка

В настоящее время волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) прочно занимают свои позиции и интенсивно развиваются.
Статистические данные показывают, что при числе каналов более 10 тысяч ВОЛС экономичнее радиорелейных линий и спутниковых систем связи. На долю ВОЛС в области дальней связи приходится 60–70% каналов, а на долю спутниковых и радиорелейных линий — 30–40%.
Стремительными темпами идет замена кабелей с металлическими жилами на волоконно-оптические кабели на всех участках сетей, в том числе и на абонентских линиях города и села. Перспективными являются наземные и подводные ВОЛС. Длительный срок службы (25 лет) и закрытая (не зависит от метеорологических условий) система связи также являются преимуществами ВОЛС.
В Глобальной сети связи 60% линий образуют наземные и подводные ВОЛС.
Объем потребления волоконно-оптических кабелей связи в мире увеличился за последние четыре года на 110%.

Оптические кабели связи — один из наиболее перспективных видов сетевой кабельной продукции. Они с каждым днем получают все более широкое распространение, поскольку являются непревзойденными по характеристикам передачи и позволяют обеспечить высочайшую информационную емкость канала связи.

Конструкция типовой марки

ОКСТМ

1. Центральный силовой элемент;
2. Модули:
   2.1. Оптическое волокно;
   2.2. Полимерная трубка;
   2.3. Гидрофобный заполнитель;
3. Гидрофобный заполнитель;
4. Броня из гофрированной стальной ленты;
5. Внешняя оболочка из полиэтилена.

Маркообразование

Оптический кабель

Оптический грозотрос

Классификация волоконно-оптических кабелей

Волоконно-оптические кабели связи отличаются по конструктивным особенностям и по области применения.

Подходы к классификации волоконно-оптических кабелей:

Согласно «Правилам применения оптических кабелей связи, пассивных оптических устройств и устройств для сварки оптических волокон», утвержденных Приказом Мининформсвязи, оптические кабели (ОК) делятся на:

• ОК внутренней прокладки (для прокладки внутри зданий и сооружений);

ОК наружной прокладки (для прокладки вне зданий и сооружений), которые в зависимости от области применения подразделяются на следующие типы:

• подземные
• подвесные (воздушной прокладки)
• подводные

По своему назначению волоконно-оптические кабели могут быть разделены на три группы:

• магистральные ВОК предназначены для передачи данных на дальние расстояния и по большому количеству каналов. Они должны обладать высокой пропускной способностью, малыми затуханием и дисперсией. В них используется одномодовое волокно с размерами 8/125 мкм (сердцевина/оболочка). Длина волны — 1,3–1,55 мкм;
• зоновые ВОК служат для организации многоканальной связи между областным центром и районами с дальностью связи до 250 км. В них используются градиентные волокна с размерами 50/125 мкм. Длина волны — 1,3 мкм;
• городские ВОК применяются в качестве соединительных линий между городскими АТС и узлами связи. Они рассчитаны на передачу данных на короткие расстояния (до 10 км) и по большому количеству каналов. В них используются градиентные волокна с размерами 50/125 мкм. Длины волн — 0,85 и 1,3 мкм. Эти линии, как правило, работают без промежуточных линейных регенераторов.

В отдельные группы выделяются подводные, объектовые и монтажные ВОК:

• подводные ВОК предназначаются для осуществления связи через большие водные преграды. Они должны обладать высокой механической прочностью на разрыв и иметь надежное влагостойкое покрытие, малое затухание и большую протяженность регенерационных участков;
• объектовые ВОК служат для передачи информации внутри объекта. Сюда относятся учрежденческая и видеотелефонная связь, внутренняя сеть кабельного телевидения, а также бортовые информационные системы подвижных объектов;
• монтажные ВОК используются для внутри- и межблочного монтажа аппаратуры. Они выполняются в виде жгутов или плоских лент.

Требования к волоконно-оптическим кабелям

Требования к минимально необходимой механической прочности оптических кабелей приведены в таблице ниже. При этом кабели должны допускать кратковременные усилия растяжения, превышающие допустимые на 15%.

Требования к механической прочности оптических кабелей:

Все типы кабелей должны быть устойчивы к монтажным и эксплуатационным изгибам и кручениям, согласно приведенной таблице.

Требования к устойчивости оптических кабелей от изгиба и кручения:

Для обеспечения надежной эксплуатации оптические кабели должны быть устойчивы к воздействию пониженной и повышенной температур рабочей среды, а также к циклической смене температур.

Оптические кабели для наружной прокладки должны быть устойчивы к воздействию ультрафиолетового излучения и коррозионных сред и иметь защиту от продольного распространения воды. Водоблокирующие материалы, применяемые в конструкции оптического кабеля, должны быть совместимы с другими материалами конструкции, не оказывать влияния на оптические волокна, легко удаляться при монтаже, не вызывать коррозию конструктивных элементов. Гидрофобные заполнители, используемые в оптических кабелях, не должны иметь каплепадения при температуре 70 °С.
Оптические кабели, предназначенные для прокладки в коллекторах и тоннелях, а также для внутренней прокладки, должны иметь оболочки, выполненные из материалов, не распространяющих горение.

Все типы оптических кабелей должны допускать прокладку и монтаж при температуре от -10 °С до +40 °С.

Одномодовое и многомодовое волокно

Волоконно-оптические кабели связи изготавливают с одномодовыми или многомодовыми кварцевыми волокнами, заключенными в модули или металлическую трубку с гидрофобным заполнителем, центральным силовым элементом, с броней из стальных гофрированных лент, проволок, или стеклопластиковых прутков, с внешней оболочкой из полимерных материалов, вынесенным стальным тросом для подвески на опорах или без него.

Основным элементом волоконно-оптического кабеля является световод — тонкое волокно цилиндрической формы из кварцевого стекла, по которому передаётся электромагнитное излучение видимого или ближнего инфракрасного диапазона длин волн.
Сердцевина оптического волокна с высоким коэффициентом преломления окружена оболочкой с более низким коэффициентом преломления. За счет этой разницы основной световой поток (волна или мода) остается внутри сердцевины (явление полного внутреннего отражения). Существует два типа оптических волокон: одномодовое и многомодовое.

Одномодовое волокно

Обычно диаметр сердцевины составляет 8 микрон, и по волокну распространяется только одна мода. Это устраняет межмодовую дисперсию, но полоса пропускания ограничивается явлениями второго порядка, такими как внутримодовая дисперсия. Комбинация огромной пропускной способности и низкого затухания делает одномодовое волокно наиболее предпочтительным для использования в большинстве телекоммуникационных систем. Однако необходимость применения лазеров, излучающих лучи света с малыми численными апертурами (диаметрами) для эффективного ввода в волокно, до сих пор ограничивает использование этого волокна в локальных сетях из-за высокой стоимости этих приборов.

Многомодовое волокно

Многомодовое волокно имеет больший диаметр сердцевины (обычно 50 или 62,5 микрон) и позволяет передавать одновременно много мод. У современного градиентного многомодового волокна сложная оптическая сердцевина сконструирована так, что коэффициент преломления изменяется заданным образом — от высокого у центральной оси до низкого на внешней стороне сердцевины. Оно чаще используется в локальных сетях и внутри зданий, так как больший диаметр сердцевины упрощает процесс оконцовки волокна. Кроме того в многомодовом волокне в качестве источников света можно использовать светодиоды, имеющие большие численные апертуры.
Следует отметить, что полоса пропускания многомодового волокна ограничена дисперсией, которая возникает из-за нескольких факторов. При этом ширина импульса цифрового сигнала по мере прохождения по волокну возрастает.

Размеры и характеристики оптических волокон, применяемых в электросвязи, должны соответствовать Рекомендациям МСЭ-Т:

• G.651 (многомодовые градиентные волокна 50/125 мкм);
• G.652 (одномодовые волокна);
• G.653 (одномодовые волокна со сдвигом дисперсии);
• G.654 (одномодовые волокна с затуханием, минимизированным на волне 1550 нм);
• G.655 (одномодовые волокна со смещенной ненулевой дисперсией, в том числе с малым наклоном кривой дисперсии, с большой эффективной площадью поля моды).

Современные технологии производства оптических кабелей позволяют сохранить оптические параметры в кабеле практически на уровне параметров исходного волокна. Так как в производстве используется волокно ведущих зарубежных производителей, то параметры волокон в кабелях не сильно отличаются от производителя к производителю. Рассмотрим нормированные значения показателей оптических волокон.

Параметры одномодовых оптических волокон:

Параметры многомодовых волокон:

Конструктивные параметры волокон:

Преимущества волоконно-оптических кабелей

Передача информации по ВОЛС имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю. Стремительное внедрение в информационные сети ВОЛС является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне:

• широкая полоса пропускания, обусловлена чрезвычайно высокой частотой, несущей 1014 Гц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания — это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации.
• малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями про мышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2–0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более.
• низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с малой избыточностью кода;
• высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т. д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.
• малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см, может быть заменен одним волокном с диаметром 0,1 см. Если волокно «одеть» в множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого ВОК будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.
• высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оптической линии связи, используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить «взламываемый» канал связи и подать сигнал тревоги. Сенсорные системы, использующие интерференционные эффекты распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации) имеют очень высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления. Такие системы особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.
• гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать электрических «земельных» петель, которые могут возникать, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным кабелем, имеют заземления в разных точках здания, например на разных этажах. При этом может возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое оборудование. Для волокна этой проблемы просто нет.
• взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.
• экономичность ВОК. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а по тому недорогого материала, в отличии от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. При этом ВОК позволяет передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при использовании ВОК. При использовании солитонных систем передачи достигнуты дальности в 4000 км без регенерации (то есть только с использованием оптических усилителей на промежуточных узлах) при скорости передачи выше 10 Гбит/с.
• длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что затухание в проложенном кабеле по степенно возрастает. Однако, благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо-передающих систем.
• удаленное электропитание. В некоторых случаях требуется удаленное электропитание узла информационной сети. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля. Однако, в этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медным проводящим элементом. Такой кабель широко используется как в России, так и за рубежом.

Названия марок у производителей

На сегодняшний день в Российской Федерации нет единой системы обозначения марок оптических кабелей и практически каждый производитель выпускает их в соответствии с собственными техническими условиями, которые предусматривают свою систему маркировки и некоторое различие в параметрах. Как видно в таблице, приведенной ниже, большинство различий в конструкциях и параметрах кабелей носят непринципиальный характер, однако могут оказаться и существенными для конкретных условий эксплуатации. Данная таблица должна помочь потребителям оптических кабелей сориентироваться в таком широком ассортименте кабелей, мы постарались провести некоторые параллели в продукции основных производителей оптических кабелей на российском рынке. Ниже приведены категории конструкций, наиболее востребованных на сегодня на отечественном рынке.

Таблица сравнительных характеристик различных марок волоконно-оптических кабелей связи: