Конструкция оптического кабеля, используемые при его производстве материалы и технология изготовления. Прокладка оптического кабеля в грунт. Расчет геометрии и массы, технико-экономическое обоснование. Термомеханический расчет проектируемой продукции.
В последнее время используются также волокна со сложным профилем показателя преломления, т.н. волокна со смещенной дисперсией. Различают волокна с положительной ненулевой смещенной дисперсией (например, волокна Corning Leaf), с положительной нулевой смещенной дисперсией (практически не используется), с отрицательной смещенной дисперсией, для компенсации дисперсии. Чтобы предотвратить изменение оптических свойств волокна под воздействием давления? растягивающего напряжения? изгибов? кручения и трения? волокно с первичным покрытием свободно укладывают в узкой трубке. Кроме того, тиксотропный гель снижает трение между волокнами и стенкой трубки?, так что волокна могут свободно перемещаться внутри трубки даже при самом незначительном напряжении. Именно сочетание распрямления волокна и смещения его внутри модуля обеспечивают большой предел удлинения кабеля с модулями такого типа.Качество и характеристики оптического волокна определяются, в первую очередь, технологическим процессом его изготовления, который включает две основные стадии: - первая стадия - изготовление заготовок - является процессом, при котором формируется базовая структура оптического волокна (сердцевина - оболочка). В методе MCVD происходит осаждение сверхчистого кремниевого диоксида (всегда легированный для сердцевины) на внутреннюю поверхность опорной трубки, затем трубка подвергается воздействию повышенной температуры (газовое пламя) для того, чтобы трубка приобрела форму твердого стеклянного стержня диаметром около 30 - 40 мм и длиной 1000 мм. Метод MCVD используют для изготовления градиентных и одномодовых заготовок оптического волокна, а также оптического волокна с эллиптичесой оболочкой. Однако полный объем оптического волокна, изготовленных из заготовок, выполненных методом OVD, больше, чем объем оптического волокна, изготовленнх из заготовок, выполненных методом MCVD. Для вытяжки кварцевого оптического волокна применяют установку вертикального типа (рис 5.7), которая состоит из каркаса - 1, узла подачи заготовок - 2, печи - 3, системы измерения диаметра оптического волокна - 4, узла нанесения первичного защитного покрытия на оптическое волокно - 5, система контроля концентричности первичного защитного покрытия - 6, системы отверждения первичного защитного покрытия - 7, измерителя диаметра первичного защитного покрытия - 8, тягового устройства - 9, системы испытания оптичекого волокна на механическую прочность - 10 - 12, компенсатора - 13, приемного устройства - 14, системы управления - 15, систем газоснабжения, водоснабжения, освещения, вентиляции.В технико-экономическом обосновании, было рассчитана себестоимость волоконнооптического кабеля для прокладки в земле, цена производства которого получили 20 грн. за 1 метр кабеля. На сегодняшний день цена такого кабеля составляет от 25 грн. и выше за 1 метр кабеля. Оптика и связь: Оптическая передача и обработка информации / Пер. с фр. Characteristics of a dispersion-shifted single-mode optical fibre cable. Recommendation G.654 - 1988, Characteristics of a cutoff shifted single-mode optical fibre cable.
Введение
Прогресс цивилизации связан с быстрым возрастанием потоков информации, опережающим развитие производительных сил общества. Наилучшими носителями информации вплоть до космических, признаны электромагнитные волны. Человечество неуклонно осваивает новые диапазоны, стремясь к передаче все более широких частотных полос по каждой линии или физическому каналу связи.
Цифровая связь по оптическим кабелям (ОК), приобретающая все большую актуальность, является одним из главных направлений научно-технического прогресса (НТП). На сегодняшний день наметились две основные тенденции в развитии НТП: снижение себестоимости услуг связи и повышение ее качества.
Преимущества цифровых потоков в их относительно легкой обрабатываемости с помощью ЭВМ, возможности повышения отношения сигнал/шум и увеличения плотности потока информации.
Преимущества оптических систем передачи (СП) перед СП, работающими по металлическому кабелю заключается в: - возможности получения световодов с малым затуханием и дисперсией, а значит увеличение дальности связи и уменьшение потерь;
- широкая полоса пропускания, значит большая информационная емкость;
- ОК не обладает электропроводностью и индуктивностью, то есть кабели не подвергаются электромагнитным воздействиям;
- пренебрежимо малые перекрестные помехи;
- низкая стоимость материала ОК, его малый диаметр и масса;
- высокая скрытность связи;
- возможность усовершенствования системы при полном сохранении совместимости с другими СП.
Потенциальные возможности передачи информации возрастают с увеличением полосы пропускания передающей среды и частоты несущей. За время существования радио, используемые для передачи частоты выросли от примерно 100 КГЦ до приблизительно 10 ГГЦ. Изобретение лазера, в котором свет используется в качестве несущей, за один шаг увеличило потенциальный диапазон на четыре порядка - до 100 000 ГГЦ (или 100 терагерц, ТГЦ). Волоконная оптика теоретически может работать в диапазоне до 1 ТГЦ, однако используемый в настоящее время диапазон еще далек от этого предела.
Ширина полосы пропускания связана со скоростью передачи информации. Потери (затухание) определяют расстояние, на которое может передаваться сигнал. По мере того как сигнал перемещается по передающей линии, его амплитуда уменьшается. Это уменьшение амплитуды называется затуханием. В оптическом кабеле затухание не зависит от частоты и остается постоянным в определенном диапазоне частот, вплоть до очень высоких и, как правило, неиспользуемых частот.
Важнейший результат нечувствительности оптического волокна к наводкам от электромагнитного излучения заключается в том, что световые сигналы не искажаются под влиянием электромагнитных наводок (ЭМН). Цифровая передача предполагает пересылку сигнала без ошибок. Всплеск ЭМН может привести к возникновению пика, в то время как в исходном сигнале никакого пика не было. Таким образом, оптические волокна открывают новые возможности для передачи сигнала без искажений.
Оптическое волокно весит значительно меньше медного проводника. Волоконнооптический кабель той же информационной емкости, что и медный, весит меньше, поскольку последний требует большего количества линий. Волокно является диэлектриком и не проводит ток. Его использование безопасно с точки зрения искро - и пожаробезопасности. Более того, волокно не притягивает молнии.
Волоконнооптический кабель может также использоваться в опасных местах, в которых из соображений безопасности вообще не применялись кабели. Например, волокно можно проложить прямо через топливный бак.
1. Конструкции оптических кабелей
Оптические кабели предназначены для передачи цифровых и аналоговых сигналов в высокоскоростных линиях связи. Отличительной особенностью является наличие в конструкции кабеля основного элемента - оптического волокна. Оптическое волокно имеет низкую механическую прочность. Поэтому конструкция кабеля должна быть такой, чтобы конструктивные элементы надежно защищали оптическое волокно. В кабелях внешней прокладки - это силовые и армирующие элементы: вторичное защитное покрытие в виде трубки, центральный силовой элемент, промежуточные оболочки, броня, защитная оболочка. В кабелях внутренней прокладки роль защитных элементов выполняет плотное вторичное защитное покрытие, защитная оболочка. При необходимости в конструкции кабеля могут быть армирующие Элементы на основе высокомолекулярных нитей (СВМ, Тварон, Кевлар).
1.1 Классификация оптических кабелей
По назначению оптические кабели (ОК) в отличие от электрических кабелей достаточно классифицировать на две основные группы: - линейные - для прокладки вне зданий (для наружной прокладки и эксплуатации);
- внутриобъектовые - для прокладки внутри зданий (для внутренней прокладки и эксплуатации).
Нет необходимости классифицировать линейные ОК на магистральные, зоновые, городские и сельские, т.е. по принципу принадлежности к магистральной, зоновым или местным сетям связи.
Современные одномодовые оптические волокна (ОВ), выполняющие в ОК роль среды передачи, имеют малое затухание, слабую его частотную зависимость и не являются ограничивающим фактором применения линейных ОК на сетях связи (магистральной, зоновых или местных).
Определяющим фактором применения линейных ОК на сетях связи являются условия их прокладки и эксплуатации. 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;
- подводные;
- подводные.
Внутриобъектовые ОК по условиям применения можно классифицировать на две группы: - распределительные;
- станционные (монтажные).
1.2 Кабель для прокладки в грунте
1 - центральный силовой элемент (стеклопластиковый стержень);
2 - оптический модуль с заполнением гидрофобным гелем;
7 - двухслойная броня из стальных оцинкованных круглых проволок;
8 - наружная оболочка (полиэтиленовая).
1.3 Основные конструктивные элементы ОК для прокладки в земле
Волокно
Как известно, оптическое волокно состоит из сердцевины, оболочки и первичного покрытия. Именно в таком виде, как правило, оно и попадает на кабельное производство. Такое волокно неокрашенное, т.е. имеет светло-серый, натуральный цвет. Волокно после вытяжки и наложения первичного покрытия подвергают тесту на перемотку с натяжением. В процессе перемотки большой длины - несколько сот километров - изза произвольного распределения трещин по длине волокно обрывается. В результате образуются отрезки волокна различной протяженности.
Рисунок 1 - Оптическое волокно
У различных производителей разные стандарты на безобрывные длины, поставляемые на катушке. Так, фирма Corning поставляет волокно длиной 25.2 км. Разумеется, существуют и другие длины к поставке, отличающиеся как в большую, так и в меньшую сторону.
Рисунок 2. Катушка с оптическим волокном
Различные виды волокон имеют разные геометрические параметры. На сегодняшний день существуют различные международные рекомендации и стандарты, по которым изготавливается большинство часть волокон в мире. Часть этих стандартов действует и в России.
Наибольшее распространение получили документы двух организаций: ITU (МСЭ) и IEC (МЭК). Были выпущены следующие рекомендации ITU и стандарт IEC: Таблица 1 - Стандарты ITU и IEC
ITU Rec. G.650 Определения и понятия? касающиеся одномодового волокна. Способы его тестирования
ITU Rec. G.651 Многомодовое градиентное волокно 50/125 мкм
ITU Rec. G.652 Одномодовое волокно
ITU Rec. G.653 Одномодовое волокно со смещенной дисперсией
ITU Rec. G.654 NZDSF
IEC 793-2 Технические условия на изделия? использующие оптические волокна
Почти все эти рекомендации переведены на русский язык, а IEC 793 был принят в качестве стандарта ГОСТ Р МЭК 793-1-93.
Почти все стандартные волокна относятся к одному из следующих видов: - одномодовое ступенчатое волокно 8-10/125 мкм;
- многомодовое градиентное волокно 50/125 мкм;
- многомодовое градиентное волокно 62.5/125 мкм.
В последнее время используются также волокна со сложным профилем показателя преломления, т.н. волокна со смещенной дисперсией. Различают волокна с положительной ненулевой смещенной дисперсией (например, волокна Corning Leaf), с положительной нулевой смещенной дисперсией (практически не используется), с отрицательной смещенной дисперсией, для компенсации дисперсии.
У всех перечисленных стандартных волокон один и тот же диаметр оболочки, равный 125 мкм.
Покрытие волокна
Для практического использования оптическое волокно должно иметь защитное покрытие. Например, таким покрытием могут быть один или несколько слоев полимерных материалов. Защитный слой наносится на волокно в процессе его изготовления - вытягивания - в вытяжной башне, находящейся на несколько метров ниже печи. Защитное покрытие наносится в жидком виде с помощью специального устройства - аппликатора - или нескольких таких устройств. Волокно проходит через эти устройства со скоростью 3 - 10 м/с.
Обычно для защиты на волокно наносятся два слоя акрилата - внутренний слой из мягкого акрилата, для предотвращения микроизгибов, и твердый наружный слой, для защиты от механических воздействий. После нанесения обоих слоев диаметр волокна становится равным 245±10 мкм. Нанесенный акрилат отверждается под воздействием интенсивного УФ-излучения. При этом очень важно? чтобы акрилат был отвержден полностью, иначе смесь отвержденного и неотвержденного акрилата может привести к появлению микроизгибов? что? в свою очередь? приведет к увеличению затухания, изменению геометрических параметров и т.д.
Рисунок 3. Установка для перемотки волокна с натяжением
Раньше для первичного покрытия использовался силикон (в основном японскими производителями)? но за последние годы практика его применения стала сходить на нет. Причина заключается в трудностях? связанных с удалением первичного покрытия волокна, например, при подготовке ОВ к стыковке или оконцовке. В отличие от силикона? отвержденный акрилат счищать с волокна очень легко.
Первичное покрытие повышает механическую прочность волокна. Для гарантированной долговечности необходимо? чтобы волокно с первичным покрытием выдерживало растягивающее напряжение порядка 10 Н в течение одной секунды. Предел прочности при растяжении составляет около 50 Н. Первичное покрытие заполняет неровности на поверхности оболочки и защищает волокно от пыли? влаги и химикатов.
Таблица 2 - Наиболее типичные допуски для многомодового волокна 50/125 мкм
Название параметра ITU Rec. G651 IEC 793-2
Допуск на диаметр сердцевины ±6% ±3 мкм
Допуск на овальность сердцевины <6% <6%
Допуск на диаметр оболочки (125 мкм) ±2,4% ±3%
Допуск на овальность оболочки <2% <2%
Допуск на неконцентричность сердцевина-оболочка <6% <6%
Модули
Оптическое волокно, обладая малыми геометрическими размерами, может выдерживать значительные нагрузки, возникающие в процессе прокладки. Однако, оно подвержено сильному воздействию влаги, температуры, механических напряжений в процессе эксплуатации, что приводит к прорастанию трещин и возникновению микроизгибов. Поэтому, в связи с указанной уязвимостью, для практического применения оптическое волокно необходимо покрывать защитной оболочкой. Разработаны специальные конструкции оболочки для защиты световодов - модули. В большинстве случаев модули сами по себе не обеспечивают необходимых прочностных характеристик и не в состоянии защитить волокно от внешних воздействий. В таких случаях поверх модулей налагаются дополнительные защитные покровы.
Модули могут быть трех видов: - модули со свободной укладкой волокон;
- модули с плотной упаковкой волокон;
- ленточные волокна.
Модули со свободной укладкой волокон
Чтобы предотвратить изменение оптических свойств волокна под воздействием давления? растягивающего напряжения? изгибов? кручения и трения? волокно с первичным покрытием свободно укладывают в узкой трубке. Трубка, из которой выполнен модуль, должна сохранять свою форму, быть устойчивой к старению и достаточно гибкой, чтобы не подвергать световод каким-либо механическим напряжениям. Оболочка трубки, как правило, состоит из внутреннего защитного слоя, имеющего низкий коэффициент трения, и внешнего слоя, который защищает волоконный световод от механических воздействий. Однако достаточно часто в целях минимизации стоимости кабеля трубку модуля делают из одного материала.
В трубку модуля помещают один или несколько световодов. По сложившейся практике максимальное число волокон в трубке составляет двенадцать. Это ограничение накладывается цветовой кодировкой ОВ. Однако в настоящее время (см. п. Окраска) в модуль могут быть уложены до 72 ОВ. Кроме того, существует возможность укладки в модуль нескольких пучков по 12 волокон, которые различают по цвету скрепляющей их нити. Тем не менее, в России в большинство модулей содержит 4-6 волокон. При этом, как уже было сказано, трубка должна обладать следующими свойствами: - обратимость деформации, т.е. возврат к первоначальной форме после снятия напряжения;
- высокая стойкость к раздавливающим нагрузкам;
- стойкость к растяжению;
- низкий коэффициент трения.
Волокно укладывается в модули с небольшим избытком по длине. Такая укладка называется свободной. При дальнейшей работе с кабелем свободная укладка волокон предотвращает возникновение растягивающего напряжения ОВ при удлинении модулей и дает возможность проводить скрутку модулей с натяжением без воздействия напряжений непосредственно на ОВ.
Волокна располагаются в трубке модуля с зазором, равным нескольким десятым миллиметра, могут перемещаться в радиальном направлении? и таким образом компенсировать растягивающее напряжение? давление? крутящие и изгибающие усилия, а также влияние изменения температуры. Перемещения волокон не вызывают большого сопротивления, так как поверхности оболочки гладкие и коэффициент трения внутренней поверхности низкий.
При повреждении волоконнооптического кабеля вода может проникнуть внутрь полой оболочки модуля и за счет капиллярного эффекта распространиться вдоль по кабелю на значительные расстояния. При замерзании воды волокна подвергаются воздействию напряжений во многих точках, что может вызвать микроизгибы и приведет к недопустимому увеличению затухания. Кроме того, влага, попавшая на поверхность волокна, изменяет энергию активации роста трещин, что существенно снижает его прочность, уменьшая тем самым время его жизни. Для предотвращения проникновения воды внутримодульное пространство заполняется специальным водоотталкивающим наполнителем (гидрофобом) - тиксотропным гелем. Вообще, различают два типа гелей: у гелей первого типа изменяется вязкость с изменением температуры, у второго - с изменением давления. Указанный выше гель представляет собой химически нейтральную массу, которая в необходимом диапазоне температур (от -60?С до 70?С) имеет достаточную вязкость, не замерзает, не подвергает коррозии или разбуханию защитное покрытие световода. Кроме того, тиксотропный гель снижает трение между волокнами и стенкой трубки?, так что волокна могут свободно перемещаться внутри трубки даже при самом незначительном напряжении. Это очень важное свойство тиксотропного геля - во всем диапазоне рабочих температур (как минимум -60?С 70?С) он должен под механическим воздействием на него волокна (при растяжении последнего) изменять свою вязкость и обеспечивать наименьший коэффициент трения. Гель легко протирается и смывается, не оставляет после себя остатков, которые могли бы помешать соединению световодов, не содержит легковоспламеняющихся веществ.
Коэффициенты теплового расширения стекла (из которого изготавливается волокно) и полимера (из которого состоит остальная часть кабеля) сильно отличаются друг от друга. У полимеров значение этого коэффициента больше,? а у волокна - меньше. Поэтому волокно относительно модуля при нагревании практически не расширяется (не удлиняется). Так как волокно может свободно перемещаться внутри трубки в радиальном направлении? то в обычной обстановке это предотвращает его растяжение.
Кроме того, длина волокна в модуле на несколько десятых процента больше, чем длина его оболочки, т.е. трубки модуля. Поэтому в нормальных условиях волокно не вытянуто в прямую линию, а образует внутри модуля кривую, напоминающую синусоиду. При растяжении модуля на некоторую малую величину, например при создании скрутки, волокно не удлиняется, а распрямляется. Когда длина волокна станет равной длине трубки, произойдет его полное выпрямление. Важно правильно рассчитать работу оптического кабеля в заданном температурном диапазоне эксплуатации. Условия эксплуатации в нашей стране одни из наиболее жестких в мире. Так для кабелей, уложенных в грунт, диапазон температур составляет от -40°С до 50°С, а для эксплуатирующихся на открытом воздухе (подвеска, мосты, эстакады) еще шире. Свободно уложенное синусоидой волокно при сжатии модуля (низкие температуры) может подвергаться микро-изгибам, приводящим к неприемлемому росту потерь в линии. Данный микро-изгиб есть не что иное, как дополнительная нагрузка на ОВ, которую оно испытывает в модулях со свободной укладкой. Именно поэтому неотработанные для наших условий конструкции оптических кабелей известных зарубежных производителей оказывались непригодными для использования на взаимоувязанной сети РФ. Особенно существенны данные расчеты для подвесных кабелей, во-первых, изза наибольших перепадов годовых температур (зима от -60°С до 70°С - лето), а, во-вторых, изза вибрации, которая при достаточном разжижении тиксотропного геля с течением времени приводит к скоплению избытка длины оптического волокна в центре пролета.
Наружный диаметр трубки модуля? в зависимости от числа укладываемых волокон? находится, как правило, в пределах от 1.5 до 3 мм. Толщина стенок также колеблется - обычно от 0.3 до 0.5 мм. Соотношение диаметра трубки модуля к толщине его стенки (SDR) определяет стойкость модуля к раздавливающим усилиям. Чем меньше SDR - тем более стойким является модуль. Кроме того, стойкость к раздавливанию зависит от твердости применяемых материалов. Поэтому трубка модуля обычно изготавливается из полиамида или из полибутилентерефталата (ПБТ). Эти виды полимеров имеют хорошие физические свойства, которые отвечают изложенным выше требованиям.
Трубки модуля могут быть однослойными и двухслойными. Для производства используют, соответственно, один или два экструдера, установленные друг за другом, с помощью которых в непрерывном технологическом процессе изготавливается полая трубка, состоящая из внутренней и внешней оболочки. Это достигается с помощью системы управления, которая обеспечивает равномерный расход материалов для оболочек из экструдеров при температуре 2500?С, чтобы поддерживать требуемую толщину стенок, равную всего нескольким десятым миллиметра. Преимуществом двухслойной оболочки по сравнению с однослойной является большая свобода в выборе материалов и возможностей их комбинаций, благодаря чему можно облегчить решение механических и термических проблем. Недостатком же является необходимость более тонких настроек, использование более дорогостоящего оборудования и, как следствие, удорожание процесса производства.
При производстве защитной оболочки наполнитель, который не должен содержать ни воздуха, ни каких-либо примесей, подается в оболочку при постоянном давлении через инжекционную иглу. Это достигается либо использованием очищенного сырья - тиксотропного геля, либо использованием при подаче специальной установки, изгоняющей пузырьки воздуха из компаунда.
При изготовлении модулей с одним световодом особое внимание необходимо обратить на точную подгонку длины световода и оболочки. Для намотки изготовленных модулей применяется горизонтально (во избежание дополнительного давления одного слоя на другой) расположенный приемный диск или кассета, находящиеся рядом с установкой, и имеющие большую емкость (до нескольких километров). Технология производства модулей с несколькими волокнами полностью аналогична. Единственное отличие заключается в размерах оболочки. Модули имеют цветную оболочку, а световоды окрашены в разные цвета. Это упрощает задачу идентификации волокон при соединении многоволоконных кабелей.
При производстве модулей с большим количеством волокон необходимо учитывать, что волокна, окрашенные в различные цвета, имеют различный коэффициент трения с тиксоптропным гелем - гидрофобным наполнителем. Поэтому при выборе скорости схода волокон с отдающих катушек необходимо подбирать правильные режимы и строго контролировать длину волокон разных цветов в готовом модуле с высокой точностью (например, с использованием приборов типа ИД-2-3, компании ИИТ, работающих на методе фазового анализа). Также при настройке оборудования необходимо добиваться точного места укладки определенного волокна в модуле - в центре или на периферии. Невыполнение данных условий приводит либо к необходимости создания избыточной прочности защитных покровов оптического кабеля, либо к обрывам отдельных волокон в процессе эксплуатации.
Именно сочетание распрямления волокна и смещения его внутри модуля обеспечивают большой предел удлинения кабеля с модулями такого типа.
Далее, по мере натяжения модуля, волокно (в конструкции модульной скрутки) смещается к его оболочке в сторону центральной оси кабеля, но не растягивается.
Оптический сердечник
Разнообразие областей применения световодов в системах волоконнооптической связи требует, чтобы были разработаны самые разные конструкции кабелей с соответствующими размерами и материалами. Исходя из применения кабеля, выбираются типы модулей и соответствующая им конструкция сердечника кабеля и защитных покровов. Особое внимание уделяется предотвращению повреждений световодов в кабелях изза воздействий окружающей среды, таких как перепады температуры и механические нагрузки.
Оптический сердечник, который образуется в результате скрутки оптических модулей, называется сердечником модульной скрутки. Сердечник, образованный на основе расположения модулей в пазах профилированного стержня, - профилированный оптический сердечник. Сердечник с центральным расположением модуля, имеющий трубчатую конструкцию называется трубчатый сердечник.
Сердечник модульной скрутки
Центральный силовой элемент (ЦСЭ) сердечника модульной скрутки
В целях увеличения механической прочности оптических кабелей модули скручивают вокруг центрального элемента, который является силовым элементом кабеля (ЦСЭ). При этом центральный элемент может служить для защиты от продольного изгиба и от растяжения. Поэтому он изготавливается из таких материалов, которые имеют большой модуль упругости и сохраняют устойчивость при колебаниях температуры в определенном диапазоне.
В качестве ЦСЭ кабеля может использоваться стальная проволока диаметром 2-3.5 мм (или тросик примерно такого же диаметра из нескольких проволок более тонкого сечения), вокруг которой укладываются модули, образуя скрутку. Недостатком такой конструкции оптического сердечника является существование проводника в центре оптического кабеля, что означает возможность повреждения оптических волокон при разряде молнии на проводнике - проволоке ЦСЭ. Таким образом, оптические кабели с металлическим ЦСЭ нельзя применять в случаях, когда отсутствуют грозозащитные элементы, например, непосредственно в грунт. Такие типы кабелей, согласно нашей классификации (см. Таблица 1), могут применяться в случаях 1 и ограниченно - в городской канализации 2. Известны случаи прокладки дополнительного грозозащитного проводника при использовании металлического ЦСЭ, что, на наш взгляд, является экономически неэффективным.
Для исключения металлических элементов в структуре оптического сердечника? в качестве ЦСЭ используется диэлектрический стержень. В большинстве случаев он выполнен из стеклопрутка, который получается в результате склеивания стеклянных нитей (ровингов) с помощью эпоксидной смолы. При особо высоких требованиях к прочности и гибкости ЦСЭ выполняют из арамидного прутка, в котором несущими являются арамидные нити. Однако, широкого распространения арамидный ЦСЭ не получил, изза высокой удельной стоимости арамида как силового элемента.
Скрутка
Благодаря скрутке световоды в модуле имеют определенное свободное пространство, при перемещении в пределах которого при растяжении, изгибе, сжатии не ухудшаются их передаточные характеристики. Наряду с модулями в различном исполнении, в скрутку могут быть дополнительно включены наполнители, т.е. просто полиэтиленовые элементы (кордели). Часто в комбинированных кабелях элементом скрутки являются изолированные медные жилы. Совокупность силовых и скручиваемых элементов, а также скрепляющей ленты или оболочки вокруг них, если такая имеется, называется сердечником кабеля.
Таблица 3 - Цветная кодировка модулей
N Кабели с сердечником
1 Красный
2 Зеленый
Остальные Натуральный
Кордель Черный
По требованию может поставляться с другим цветовым сочетанием
Самой распространенной в технике оптических кабелей является скрутка слоями или послойная скрутка. При этом скручиваемые элементы располагаются концентрически вокруг ЦСЭ в один или несколько слоев. Шаг спирали рассчитывается для того, чтобы предотвращать увеличение затухания в кабеле, вызываемое, прежде всего, изгибами кабеля в процессе его изготовления, при прокладке и при установке, а также вследствие колебаний температуры.
Если скручиваются отдельные элементы, например, модули или наполнители, то в этом случае говорят о кабеле повивной скрутки. Если же сердечник кабеля скручивается из элементов, состоящих из скрученных модулей, то такой кабель называется кабелем жгутовой скрутки. При использовании кабелей жгутовой скрутки плотность упаковки может быть существенно увеличена.
Если кабель предназначен для наружной прокладки, то пространство между модулями заполняется веществом (гидрофобным наполнителем), придающим кабелю водонепроницаемость по всей его длине. Поверх скрутки накладывается защитная наружная оболочка из полимера.
Заполнение сердечника
Для обеспечения водонепроницаемости сердечника оптического кабеля по всей длине свободное пространство между модулями или волокнами заполняется специальным компаундом, состав которого не должен оказывать влияния на характеристики остальных элементов сердечника. Компаунд почти не вызывает набухания полимерной оболочки и имеет относительно малый коэффициент линейного расширения. Предохранительный слой из устойчивого к нефтепродуктам расплавленного связующего вещества, которое наносится вокруг сердечника экструзионным способом, служит, во-первых, дополнительным барьером для компаунда, а, во-вторых, как бесшовное соединение между устойчивой к нагрузке на растяжение защитной оболочкой или обмоткой сердечника и оболочкой кабеля, не уменьшая, при этом, ее гибкости.
Если продольная водонепроницаемость не требуется, например, для кабелей внутренней прокладки, то необходимость в заполнении сердечника компаундом отпадает. Чтобы защитить элементы сердечника от повреждений во время дальнейших технологических операций, а также, чтобы изолировать наполнители сердечника от силовых элементов кабеля, предотвращающих нагрузку на растяжение, и от материала оболочки, скручиваемые элементы покрываются одним или несколькими слоями тонкой полимерной пленки.
Для обозначения фирмы-производителя кабеля непосредственно поверх скручиваемых элементов, обычно параллельно оси кабеля, укладывается фирменная опознавательная нитка. Эта операция выполняется, как правило, во время наложения оболочки. По желанию заказчика дополнительно к опознавательной нитке можно добавить ленту для определения длины, которая представляет собой бумажную полоску шириной 6 мм с нанесенными метровыми метками.
Силовые элементы повышают механическую прочность кабеля. В ходе прокладки и после нее силовые элементы принимают на себя растягивающие напряжения, защищая от них волокно.
В качестве силовых элементов для оптических кабелей могут использоваться следующие материалы: - стальная проволока;
- медная, алюминиевая или свинцовая трубка (обычно у подводного кабеля);
- стекловолокно;
- арамидные нити.
При этом защита от механических воздействий, в частности от продольных механических усилий, возникающих при прокладке и в процессе эксплуатации (особенно для воздушных самонесущих кабелей), обеспечивается силовыми элементами, а защита от тепловых и химических воздействий, влаги, а также от ряда механических воздействий, например, истирания или грызунов, обеспечивают внешняя и промежуточные оболочки.
Как правило, силовые элементы и металлические ленты (для защиты от грызунов) не рекомендуется накладывать непосредственно на оптический сердечник и в качестве промежуточного слоя накладывается промежуточная полимерная оболочка.
Стальная проволока
Стальная проволока навивается поверх сердечника кабеля. Преимущество состоит в том, что кабель, усиленный таким образом, может выдерживать большие поперечные и продольные нагрузки, так как сталь характеризуется лучшей механической устойчивостью, по сравнению с другими материалами. Однако сталь является проводником, что представляет опасность при попадании грозовой молнии.
Круглая оцинкованная проволока используется, например, для бронирования кабелей с трубчатым сердечником. В процессе бронирования повив заполняется гидрофобным компаундом для предотвращения попадания воды в пустоты бронеповива.
Наружная оболочка
Наружная оболочка кабеля состоит из одного или двух слоев полимера. Обычно для изготовления оболочки применяют следующие виды полимеров: - полиэтилен (ПЭ);
- поливинилхлорид;
- полиамид;
- термопластический полиуретан.
Применяемые виды полимеров обладают различными термическими, механическими и электрическими свойствами. Прочность, стойкость к воздействию химикатов и воспламеняемость у них также различная.
Таким образом, правильный выбор материала для каждого конкретного изделия имеет большое значение.
2. Материалы
2.1 Оптическое волокно
Оптическое волокно - основной элемент, выполненный в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы, по которому осуществляется передача волн длиной несколько микрон, что соответствует диапазону частот Гц. Волокно, как правило, имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления и . Стеклянные волокна имеют как стеклянное ядро, так и стеклянную оптическую оболочку. Стекло, используемое в данном типе волокон, состоит из сверхчистого сверх прозрачного диоксида кремния или плавленого кварца. В стекло добавляют примеси, чтобы получить требуемый показатель преломления. Германий и фосфор, например, увеличивают показатель преломления, а бор и фтор, напротив, уменьшают его. Стеклянные волокна с пластиковой оптической оболочкой имеют стеклянное ядро и пластиковую оптическую оболочку. Пластические волокна имеют пластиковое ядро и пластиковую оптическую оболочку. По сравнению с другими видами волокон пластиковые имеют ограниченные возможности с точки зрения затухания и полосы пропускания. Пластиковые и PCS волокна не имеют защитных оболочек вокруг оптической оболочки.
Как упоминалось раньше, оптическое волокно должно изготовляться, по крайней мере, из двух материалов, различающихся показателем преломления. В мировой практике нашли применение следующие виды ОВ, отличающиеся материалами, из которых они сделаны.
Полимерные оптические волокна (ПОВ)
Изготавливаются на основе целого ряда полимерных материалов, из которых наиболее распространены полиметилметакрилат (сердцевина) и фторполимеры (оболочка). Лидером в исследовании ПОВ является Япония, откуда появились сообщения о получении образцов длиной 50…100 м с затуханием менее 50 ДБ/км в области длин волн 850…1300 нм. В 2001 году было достигнуто затухание ~15 ДБ/км с использованием нового химического процесса.
Перспективная область применения ПОВ - линии длиной 10…100 м с большим количеством подключений при отсутствии высоких требований к надежности и емкости сетей, в том числе локальные сети, сети доступа, датчики в автомобилях и военная техника (бортовые линии связи).
Кварц-полимерные оптические волокна
Имеют сердцевину из кварцевого стекла и оболочку из полимерных материалов (кремнеорганичесие компаунды, телефоны). Коэффициент затухания равен 5…8 ДБ/км на длине волны 850 нм. Преимуществом этих ОВ является сердцевина большого диаметра (200…1000 мкм), высокая механическая прочность, малая чувствительность к изгибам и повышенная стойкость к ионизирующим излучениям. Область применения - линии длиной несколько сотен метров.
Волокна из многокомпонентных силикатных стекол
Разрабатывались для первых поколений линий связи, и их достоинством являлась возможность получения высокой числовой апертуры (до 0,6). Однако эти волокна не нашли применение в технике связи изза невозможности получения высокого уровня параметров, в том числе коэффициента затухания, при промышленном производстве.
Волокна, прозрачные в среднем инфракрасном диапазоне
Теоретические оценки показали, что существуют стеклообразные и кристаллические материалы, позволяющие создавать оптические волокна в среднем инфракрасном (ИК) диапазоне (2…11 мкм) с ультранизкими потерями ДБ/км.
Материалы для оптического волокна среднего ИК-диапазона можно разделить на три группы: - галогениды (стеклообразные и кристаллические);
- халькогениды;
- оксиды тяжелых металлов.
Несмотря на очень интенсивные исследования в этом направлении, практически значимых результатов в разработке оптических волокон, прозрачных в среднем ИК-диапазоне не достигнуто. Это связано с крайне сложными проблемами создания технологии получения таких волокон.
Кварцевые оптические волокна.
Имеют сердцевину из кварцевого стекла, легированного малыми добавками стеклообразующих компонентов (оксидов германия и фосфора, фтора) для изменения показателя преломления, и оболочку из кварцевого стекла.
Благодаря уникальному комплексу свойств, таких как прозрачность и ближней ИК-области спектра, высокая механическая прочность, вязкостные характеристики, обеспечивающие хорошую формуемость стекла, высокая химическая стойкость и стабильность характеристик, кварцевое стекло остается единственной средой передачи современных сетей связи.
Оценка предельно достижимой скорости передачи по кварцевому оптическому волокну (10…30 Тбит/с).
Несмотря на то, что предел прочности массивного кварцевого стекла очень высок (~ 20 ГПА), волокно, имеющее развитую поверхность по отношению к малому объему стекла, крайне чувствительно к поверхностным дефектам (микротрещинам, пылинкам), которые резко снижают его прочность, особенно в присутствии влаги и под действием высоких температур и напряжений. Для сохранения механической прочности и защиты поверхности оптического волокна наносят полимерные покрытия.
Защитные полимерные покрытия оптического волокна имеют, как правило, двухслойную структуру, что обеспечивает также защиту оптического волокна от внешних воздействий, которые могут привести к возрастанию оптических потерь. Причиной роста оптических потерь в оптическом волокне являются микроизгибы, возникающие при калибровании оптического волокна или изменениях температуры как следствие напряжений в конструкции «оптическое волокно - покрытия - кабельные компоненты».
Материалом современных покрытий оптического волок
Вывод
В технико-экономическом обосновании, было рассчитана себестоимость волоконнооптического кабеля для прокладки в земле, цена производства которого получили 20 грн. за 1 метр кабеля. На сегодняшний день цена такого кабеля составляет от 25 грн. и выше за 1 метр кабеля. Срок окупаемости составляет 4,55 года, который ниже нормативного срока, равного 6,7 года.
Список источников информации
Макаров T.B. Волоконнооптические линии передачи. Учебное пособие. ОЭИС им. A.C. Попова. - Одесса, 1990. - 99 с.
Дональд Дж. Стерлинг, младший. Техническое руководство по волоконной оптике. - М.: Лори, 1998. - 277 с.
З. Гроднев И.И., Верник СМ. Линии связи. - М.: Радио и связь, 1988. - 544 с.
4. Гроднев И.И., Ларин Ю.Т., Теумин И.И. Оптические кабели. Конструкции, характеристики, производство и применение. - М.: Энергоатомиздат, 1991.
- 264 с.
5. Верник СМ., Гитин В.Я., Иванов B.C. Оптические кабели связи. - М.: Радио и связь, 1988. - 144 с.
6. Ларин Ю.Т., Рязанов И.Б. Расчет параметров оптических кабелей. - М.: МЭИ, 1992. - 122 с.
Козанне А., Флере Ж., Мэтр Г., Руссо М. Оптика и связь: Оптическая передача и обработка информации / Пер. с фр. - М.: Мир, 1984. - 504 с.
Корнейчук В.И., Макаров Т.В., Панфилов И.П. Оптические системы передачи. - К.: Техника, 1994. - 393 с.
ITU-T. Recommendation G.651 - 1988, Characteristics of a multimode gradet index optical fibre cable.
ITU-T.G.652 - 1997, Characteristics of a single-mode optical fibre cable.
ITU-T. Recommendation G.653. Characteristics of a dispersion-shifted single-mode optical fibre cable.
ITU-T. Recommendation G.654 - 1988, Characteristics of a cutoff shifted single-mode optical fibre cable.
ITU-T. Recommendation G.655. Characteristics of a non-zero dispersion-shifted single-mode optical fibre cable.
Корнейчук В.И. Измерение параметров компонентов и устройств ВОСП: Учебное пособие. - Одесса: УГАС им. A.C. Попова, 2000. - 323 с.
Гауэр Дж. Оптические системы связи / Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1989.
- 504 с.
Волокно с потерями 0,01 ДБ/км в инфракрасном диапазоне // Электроника. - 1977. - №19. - С. 8.
Иванов А.Б. Волоконная оптика, компоненты, системы передачи, измерения.
- М.: Компания Сайрус Системе, 1999. - 671 с.
Корнейчук В.И., Панфилов И.П. Проектирование цифровых волоконнооптических систем передачи. 4.1: Расчет характеристик субсистем ВОСП. Методическое руководство по дипломному и курсовому проектированию. - Одесса, 1987. - 53 с.
Иванов СИ., Коршунов В.Н., Ксенофонтов С.Н. Сборник упражнений и задач по волоконнооптическим линиям связи. Учебное пособие. - М.: МЭИС, 1987. -31 с.
ITU-T. Recommendation G.650 - 1997, Definition and test methods for the relevant parameters of single-mode fibres.
21. Производство кабелей и проводов: Учебник для техникумов/ Н.И. Белоруссов, Р.М. Лакерник, Э.Т. Ларина и др.; Под ред. Н.И. Белоруссова и И.Б. Пешкова. - М.: Энергоиздат, 1981. - 632 с., ил.
22. Обмоточные и монтажные провода. Изд. 4-е, переработ. и доп. М., «Энергия», 1971.
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
