Конструктивные элементы и материалы
Элементы конструкции оптического волокна можно подразделить на следующие группы:
Оптическое волокно;
Защитное покрытие;
Сердечник;
Силовые (упрочняющие) элементы;
Разделительные (демпфирующие) слои;
Наружные защитные оболочки;
Броневые покровы;
Гидрофобные заполнители.
Выбор той или иной конструкции в пределах одной группы или вида зависит от многих переменных и определяется параметрами системы передачи, внешними воздействиями и стоимостью.
Оптическое волокно
При изготовлении оптических кабелей применяет одномодовые и многомодовые оптические волокна.
Для них широко используются кварцевые стекла. Многомодовые ступенчатые оптические волокна могут иметь кварцевую сердцевину и полимерную оболочку или полностью изготовляться из полимерных материалов или многокомпонентных стекл.
Защитное покрытие. Теоретический предел прочности кварцевого стекла очень велик (более 6000 н/мм2 ), а у тонких волокон еще больше. Однако на практике прочность оптоволокна зависит от различных дефектов и внутренних напряжений. Для защиты наносится защитное покрытие на оболочку (первичное и вторичное).
Препятствует появлению и развитию микротрещин первичное покрытие. Выполняют из акрила и окрашивают в целях идентификации волокон. Диаметр оптоволокна с первичным покрытием обычно составляет 245 мкм. Специальная защита от влаги и водорода достигается использованием тонкого металлического или углеродного слоя на оболочке. Герметичные и устойчивые к старению используют в глубоководных подводных оптических кабелях.
На первичное покрытие наносят вторичное покрытие из эластичного высокопрочного полимера (полиэтилен, нейлон) и предназначено для защиты оптического волокна от изгибающих, сжимающих и растягивающих усилий. Внешний диаметр вторичного покрытия составляет 0,8…1,0 мм.
Исследования показывают, что деформация поперечного сечения может явиться причиной резкого увеличения коэффициента затухания Оптического волокна.
Первичное покрытие должно устранять взаимные помехи между оптическими волокнами при их полной укладке в оптический кабель, которые обусловлены модами излучения. Для этого пригодны акрил или силиконовая смола, имеющие большое поглощение на рабочей длине волны (около 1дБ /мкм). Желательно, чтобы этот материал имел несколько больший показатель преломления, чем оболочка Оптического волокна, чтобы предотвратить распространения вытекающих мод.
Сердечник
Одномодульный сердечник – в центре оптического кабеля расположена однослойная или двухслойная полимерная трубка, выполняющая функции центрального оптического модуля.
В конструкции оптического кабеля с одномодульным оптическим сердечником может располагаться до 48 оптических волокон.
Рис. 4 Одномодульный сердечник:
1 – одно- или двухслойная полимерная центральная трубка со свободно уложенными оптическими волокнами или пучками волокон и гидрофобным гелем; 2 – диэлектрический силовой элемент; 3 – наружная оболочка из полиэтилена высокой плотности.
Многомодульный сердечник – в центре оптического кабеля расположен центральный силовой элемент, вокруг него наложен повив оптических модулей методом повивной односторонней или волновой скрутки, при необходимости корделей заполнения.
Рис. 5 Многомодульный сердечник:
1 – центральный силовой элемент; 2 – модуль с волокнами ; 3 – межмодульный гидрофобный заполнитель; 4 – кордель; 5 – арамидные нити; 6 – упрочняющие силовые элементы; 7 – оболочка.
Многомодульный оптический сердечник может содержать до 18 оптических модулей, а каждый оптический модуль до 24 оптических волокон. Емкость такого кабеля достигает 288 оптических волокон.
Силовые (упрочняющие) элементы. Конструкция оптического кабеля должна обеспечивать защиту оптическим волокнам от чрезмерных механических напряжений. Обеспечивают необходимые радиусы изгиба и повышают стойкость оптического кабеля при механических радиальных воздействиях.
Эти элементы размещены вдоль центральной оси кабеля. Они выполнены в виде стержней или жгутов тонких волокон из металлических и синтетических материалов. Для металлических элементов используют оцинкованную или покрытую медью стальную проволоку. Неметаллические изготавливают из пластмассы повышенной прочности (кевлар, терлон, тварон). Они дороже стальных, но обеспечивают высокую прочность оптическому кабелю и небольшую массу. При необходимости между сердечником кабеля оболочкой помещают дополнительные силовые (армирующие) элементы: повив из арамидовых нитей или стекловолоконных лент.
В подвесных оптических кабелях роль силового элемента играет стальной несущий трос. В кабелях, имеющих броню из круглых проволок, механическое напряжение прикладывается к этим проволокам.
Разделительные (демпфирующие) слои. Уменьшают давление друг на друга различных элементов конструкции оптического кабеля. Они выполняются как заполнение из пенопласта.
Наружные защитные оболочки. Предохраняют оптический кабель от проникновения влаги, паров вредных веществ и внешних механических воздействий, возникающих при прокладке и эксплуатации кабеля. Оболочки подразделяются на три основных типа:
Металлопластмассовые (комбинированные);
Пластмассовые;
Пластмассовые с силовыми элементами.
Металлопластмассовые (комбинированные);
Металлопластмассовые (комбинированные) оболочки состоят из тонкой металлической оболочки и пластмассового покрытия. Алюминиевая или стальная лента наматывается по сплошной спирали (внахлест) или накладывается в продольном направлении, образуя трубку с нахлестом, каря которой свариваются или пропаиваются. Такие оболочки являются отличным влагонепроницаемым барьером.
Такая защита иногда является излишней, если кабель имеет влагозащитное заполнение или другие системы защиты от влаги. Тогда применяют пластмассовые оболочки, которые наносят методом опрессовки сердечника пластмассовым материалом (полиэтилен, поливинилхлорид и т.п.). Эти оболочки не являются влагонепроницаемыми.
Пластмассовые оболочки имеют продольные стальные или синтетические нити, и позволяют совместить в одном элементе две функции.
Пластмассовое покрытие оптического кабеля наружной прокладки изготавливают из полиэтилена. Защита от ультрафиолетового излучения достигается добавлением в полиэтилен черного угля.
Материалом для внутренней прокладки является поливинилхлорид, но оно имеет опасное свойство: при нагревании до высоких температур он разрушается и образует соляную кислоту. От этого вещества стараются отказаться.
Оболочку оптического кабеля внутренней прокладки изготавливают из термопластичного полимера с минеральными наполнителями (гидроксид алюминия). При горении образуют нетоксичные продукты распада, эффективно препятствующие распространению огня.
Броневые покровы. Применяются для защиты подземных оптических кабелей от давления земляной засыпки. Используют оплетку из тонких стальных проволок и броню из неметаллических материалов в виде повива из арамидовых нитей или пластмассовых лент с упрочняющими стекловолнами. Подводные кабели имеют усиленную двойную броню из стальной проволоки с цинковым покрытием или проволоки из нержавеющей стали.
Гидрофобные заполнители. В оптических кабелях наружной прокладки очень важна защита оптических волокон от проникновения воды. Используют гидрофобный заполнитель в виде желе или геля. Водят в сердечник под давлением при температуре 65…700С. Защита от проникновения воды может быть обеспечена использованием разбухающих порошков, лент или нитей. Порошок вводят в сердечник, а ленту и нить наматывают поверх элементов из оптических волокон или поверх сердечника. При намокании эти защитные элементы увеличиваются в объеме, заполняя все пустоты оптического кабеля, куда может проникнуть вода.