Основные конструктивные элементы волоконно-оптических кабелей

Можно выделить несколько основных групп конструктивных элементов: оптические волокна с защитными покрытиями, оптические модули, сердечники, силовые элементы, гидрофобные материалы, оболочки и армирование. В зависимости от назначения и условий применения волоконно-оптические кабели имеют определенные конструкции. Оптическое волокно (ОВ) весьма чувствительно к внешним воздействиям: механическому давлению и изгибам, температуре, влажности. Для защиты от них на ОВ обязательно накладывается покрытие. Стандартизованный номинальный диаметр оптического волокна равен 250 мкм. С целью идентификации ОВ на покрытие наносится слой краски толщиной 3…6 мкм. Надежность соединения красителя с покрытием обеспечивается интенсивным ультрафиолетовым облучением. Основной элемент волоконно-оптических кабелей — оптическое волокно (ОВ), изготовленное из высококачественного кварцевого стела, обеспечивающее распространение световых сигналов. Оптическое волокно состоит из центральной части с высоким показателем преломления (сердцевины), окруженной оболочкой из материала с низким показателем преломления, как показано на рис. 1, волокно характеризуется диаметрами этих областей — например, 50/125 означает волокно с диаметром сердцевины 50 мкм и внешним диаметром оболочки 125 мкм. Свет распространяется по сердцевине волокна за счет последовательных полных внутренних отражений на границе раздела между сердцевиной и оболочкой; его поведение во многом похоже на то, как если бы он попал в трубу, стенки которой покрыты зеркальным слоем. Однако в отличие от обычного зеркала, отражение в котором довольно неэффективно, полное внутреннее отражение по существу близко к идеальному — в этом заключается их коренное отличие, позволяющее свету распространяться вдоль волокна на большие расстояния с минимальными потерями. В свою очередь световоды различаются в зависимости от профиля показателя преломления в направлении от центра к периферии в поперечном сечении световода. Волокно на (рис. 2, а) называется волокном со ступенчатым профилем показателя преломления и многомодовым, поскольку для распространения луча света существует много возможных путей, или мод. Это множество мод при водит к дисперсии (уширению) импульса, поскольку каждая мода проходит в волокне различный путь, а поэтому разные моды имеют разную задержку передачи, проходя от одного конца волокна до другого. Результат этого явления — ограничение максимальной частоты, которую можно эффективно передавать при данной длине волокна — увеличение или частоты, или длины волокна сверх предельных значений по существу приводит к слиянию следующих друг за другом импульсов, из-за чего их становится невозможно различить. Для типового многомодового волокна этот предел равен примерно 15 МГц * км, это означает, что видеосигнал с полосой, например, 5 МГц может быть передан на максимальное расстояние в 3 км (5 МГц х 3 км = 15 МГц * км). Попытка передать сигнал на большее расстояние приведет к прогрессирующей потере высоких частот. Одномодовые, как их называют, волокна (рис. 2, b) весьма эффективно снижают дисперсию, и результирующая полоса — во много ГГц * км — делает их идеальными для телефонных и телеграфных сетей общего пользования (РТТ) и кабельного сетей телевидения. К сожалению, волокно столь малого диаметра требует применения мощного, прецизионно совмещенного, а поэтому сравнительно дорогостоящего излучателя на лазерном диоде, что снижает их притягательность для многих применений, связанных с замкнутыми ТВ системами наблюдения малой протяженности. В идеале требуется волокно с полосой пропускания того же порядка, что и одномодового волокна, но с диаметром, как у многомодового, чтобы было возможным применение недорогих передатчиков на светодиодах. До некоторой степени этим требованиям удовлетворяет многомодовое волокно с градиентным изменением показателя преломления (рис. 2, с). Оно напоминает многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления, о котором говорилось выше, но показатель преломления его сердцевины неоднороден — он плавно изменяется от максимального значения в центре до меньших значений на периферии. Это приводит к двум следствиям. Первое — свет распространяется по слегка изгибающемуся пути, и второе, и более важное — различия в задержке распространения разных мод минимальны. Это связано с тем, что высокие моды, входящие в волокно под большим углом и проходящие больший путь, на самом деле начинают распространяться с большей скоростью по мере того, как они удаляются от центра в зону, где показатель преломления снижается, и в основном движутся быстрее, чем моды низших порядков, остающиеся вблизи оси в волокна, в области высокого показателя преломления. Увеличение скорости как раз компенсирует больший проходимый путь. Градиентные многомодовые световоды предпочтительнее, так как в них, во-первых, распространяется меньше мод и, во-вторых, меньше различаются их углы падения и отражения, а следовательно, благоприятнее условия передачи. Однако многомодовые волокна с градиентным показателем преломления не являются идеальными, но тем не менее они демонстрируют весьма неплохие значения полосы. Поэтому в большинстве замкнутых ТВ систем наблюдения малой и средней протяженности выбор такого типа волокон оказывается предпочтительным. На практике это означает, что полоса пропускания лишь изредка оказывается параметром, который следует принимать во внимание. Однако для затухания это не так. Оптический сигнал затухает во всех волокнах, со скоростью, зависящей от длины волны передатчика источника света. Существует три длины волны, на которых затухание оптического волокна обычно минимально, — 850, 1310 и 1550 нм. Они известны как окна прозрачности. Для многомодовых систем окно на длине волны в 850 нм — первое и наиболее часто используемое (наименьшая цена). На этой длине волны градиентное многомодовое волокно хорошего качества показывает затухание порядка 3 дБ/км, что делает возможной реализацию связи в замкнутой ТВ системе на расстояниях свыше 3 км. На длине волны 1310 нм то же самое волокно показывает еще меньшее затухание — 0,7 дБ/км, позволяя тем самым пропорционально увеличить дальность связи до примерно 12 км. 1310 нм — это также первое рабочее окно для одномодовых оптоволоконных систем, затухание при этом составляет около 0,4 дБ/км, что в сочетании с передатчиками на лазерных диодах позволяет создавать линии связи длиной свыше 50 км. Второе окно прозрачности — 1550 нм — используется для создания еще более длинных линий связи (затухание волокна менее 0,24 дБ/км) (рис. 3). 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 со свободно размещаемыми в них ОВ с первичным защитным покрытием; сплошное полимерное покрытие; ленточный элемент, в котором 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. Многомодовые световоды проще изготавливать, в них легче вводить световые лучи, их легче сращивать. Многомодовые световоды характеризуются полосой пропускания частот, выражаемой в мегагерцах. В спецификациях принято указывать не полосу пропускания, а так называемый коэффициент широкополосности, присущий данному типу световода, в мегагерцах, умноженных на километры (МГц x км). При заданном коэффициенте широкополосности (обозначим его S) полоса пропускания AF будет зависеть от длины линии или ее регенерационного участка модификаций AF=S. Для многомодовых волокон 50/125 нормируемые значения S составляют 400…1500 МГц*км. Для линии длиной 10 км полоса пропускания равна 40…150 МГц. Чем длиннее линия, тем меньше полоса пропускания частот и, следовательно, меньше объем передаваемой информации. По одномодовым световодам в идеальном случае распространяется только одна волна. Они обладают значительно меньшим коэффициентом затухания (в зависимости от длины волны в 2…4 и даже в 7…10 раз) по сравнению с многомодовыми и наибольшей пропускной способностью, так как в них почти не искажается сигнал (рис. 4). Но для этого диаметр сердцевины световода должен быть соизмерим с длиной волны (во всяком случае d < А < 10). Практически dc=8…10 мкм. В зависимости от условий эксплуатации к конструкции кабеля предъявляются различные требования. Кабель, который используется вне помещений, в первую очередь, должен иметь защиту от атмосферных воздействий, таких как солнечный свет, влага, перепады температур. Кабелю, который предназначен для прокладки в кабельных колодцах, необходима защита от грызунов. Если кабель подвешивается между опорами линий электропередач, важна его механическая прочность. При выборе кабеля основное внимание обычно уделяется двум аспектам. Первый — это пожарная безопасность, необходимость которой возникает, если кабель прокладывается внутри помещений. Второй аспект — это целостность и сохранность световодов при хранении, монтаже и эксплуатации волоконно-оптического кабеля. На каждом из этих этапов кабель подвергается механическим, атмосферным и другим воздействиям, которые могут быть опасны для волокна. Заметим, что здесь речь не идет о физическом разрушении оптического волокна. Таблица 2. Параметры многомодовых волокон

Параметры	Многомодовое градиентное ОВ с диаметром сердцевины 50 мкм	Многомодовое градиентное ОВ с диаметром сердцевины 62,5 мкм
Числовая апертура	0,18…0,24	0,25…0,31
Коэффициент широкополосности на длине волны 850 нм, не менее МГц*км	400	160
Коэффициент широкополосности на длине волны 1300 нм, не менее МГц*км	500	400
Коэффициент затухания на длине волны 850 нм, не более дБ/км	3,2	3,2
Коэффициент затухания на длине волны 1300 нм, не более дБ/км	0,7	0,7

Чаще всего материалом, который используется для изготовления наружной оболочки волоконно оптических кабелей, является полиэтилен. Он обладает и отличными физическими параметрами (большая прочность, хорошая износостойкость, неподверженность ультрафиолетовому излучению, окислению и другим химическим воздействиям), и хорошими диэлектрическими свойствами. Полиэтилен имеет неплохую сопротивляемость проникновению влаги, низким и высоким температурам, а также обладает способностью не изменять свои физические свойства под воздействием перепадов температуры окружающей среды. Особое внимание стоит уделить волоконно-оптическим кабелям, оболочки которых отвечают требованиям пожарной безопасности. Основой для изготовления соответствующих оболочек является полиэтилен, а необходимые свойства достигаются путем добавления специальных химических добавок. В описании волоконно-оптического кабеля о наличии таких свойств чаще всего свидетельствует аббревиатура LSZH (Low Smoke Zero Halogen). Наличие у волоконно-оптического кабеля негорючей оболочки, которая не выделяет галогенов, заметно увеличивает его стоимость, но при прокладывании кабеля внутри помещений, на промышленных объектах, в туннелях метрополитена международные и национальные нормы пожарной безопасности обязывают к применению кабеля именно такого типа.