5 Вибір оптичного кабелю

Устрій оптичних світловодів. Оптичне волокно являє собою тонку прозору діелектричну нитку (скло, пластмаса), у якій є дві області (рис. 5.1). Центральна область 1 – називається світлонесучою серцевиною з показником заломлення n₁; її оточує світловідбивна оболонка 2 з показником заломлення n₂. У волокнах, що в основному використовуються для зв'язку, обидві області виконані з кварцового скла (SiO₂) і відрізняються тільки значенням показника заломлення. Для забезпечення світловодних (напрямних) властивостей, необхідне виконання умови n₁>n₂.

Рисунок 5.1 – Оптичне волокно:

а- структура ОВ; б- розподіл профіля показника заломлення

На рис. 5.1,б зображено розподіл профіля показника заломлення (ППЗ) у серцевині, відбивній оболонці іу захисному покритті.

Відношення показників заломлення невелике і складає 0,2…1%. Змінюють величину n шляхом легування скла спеціальними домішками. Для забезпечення механічної міцності в процесі витяжки ОВ покривають захисним пластмасовим покриттям, що має показник заломлення n₃< n₂ (область 3 на рис. 2.1). Діаметри серцевини, оболонки і покриття позначають відповідно 2a, 2b, 2c, мкм. Розміри поперечного перерізу ОВ записуються у вигляді дробу 2a/2b, наприклад, запис 50/125 означає, що 2a = 50 мкм, 2b = 125 мкм.

Класифікація ОВ. OB класифікують за декількома ознаками:

за профілем показника заломлення, за кількістю мод (променів), що поширюються у ОВ, (терміну «промінь» у геометричній оптиці відповідає термін «мода» у хвилевій оптиці), за типом матеріалу, з якого виготовлено ОВ.

Класифікація ОВ за профілем показника заломлення. Під модою розуміють один з можливих розподілів електромагнітного поля, що задовольняє рівнянням Максвела і граничним умовам. В одномодовому волокні поширюється одна (фундаментальна, основна) мода (промінь). Багатомодове волокно може каналізувати водночас до двох тисяч мод.

Під профілем показника заломлення розуміють залежність зміни показника заломлення уздовж радіуса n(r) ОВ. Розрізняють: східчасті ОВ (СОВ), або волокна зі східчастим ППЗ (рис.5.2,а) і градієнтні OB (ГОВ), або волокна з плавним (монотонним) зменшенням показника заломлення в серцевині (рис.2.2,б). Показник заломлення оболонки оптичного волокна n₂ не залежить від радіуса і залишається незмінним.

Рисунок 5.2 – Профілі показника заломлення ОВ:

а) східчасте ОВ; б) градієнтне ОВ; в) ОВ зі складним ППЗ з нульовою зміщеною дисперсією; г) ОВ зі складним ППЗ з ненульовою зміщеною дисперсією

Розрізняють одно- та багатомодові ОВ. Багатомодові ОВ мають більш широку смугу пропускання. У ВОСП найбільше поширення одержали

Для досягнення одномодового режиму діаметр серцевини ОВ роблять значно менше (8…10 мкм), ніж у багатомодових (50 чи 62,5 мкм). Приклад позначення ОМ ОВ: 8,4/125, де 2а = 8,4 мкм, 2b =125 мкм.

Класифікація ОВ проводиться також в залежності від матеріалу. Розрізняють ОВ типу кварц-кварц, кварцполімерне ОВ, пластикове ОВ.

Оптоволокно кварц – кварц. Такі ОВ мають серцевину і відбивну оболонку з кварцевого скла. Скло для таких світловодів – це суперчистий, суперпрозорий діоксид кремнію SiO2 або плавленого кварца. В скло додають певні домішки для того, щоб одержати потрібний показник заломлення. Германій і фосфор збільшують його, а бор і фтор – зменшують. В скло завжди при виготовленні потрапляють інші домішки, яких неможливо уникнути. Вони впливають на властивості ОВ, збільшуючи його загасання завдяки розсіюванням на домішках та поглинанням у них світла.

Кварцполімерне ОВ. Такі ОВ мають скляну серцевину, яка оточена полімерною відбивною оболонкою. Їх характеристики не настільки якісні, як у волокон типу кварц-кварц. Проте, вони знайшли застосування завдяки великому діаметру серцевини (від 200 до 800 мкм). Це дозволяє підводити до них велику потужність світла і легко з’єднувати їх між собою.

Пластикове ОВ. Воно має пластикові серцевину і відбивну оболонку. В порівнянні з розглянутими вище двома типами такі ОВ мають найбільше загасання і найвужчу смугу пропускання. Але їх безперечними перевагами є низька собівартість, конструктивна простота і легкість з’єднування, що робить їх популярними у випадках невисоких вимог до загасання і робочої смуги частот. Крім того, вони радіаційно стійкі.

Перші оптичні волокна, що використовувались для потреб зв’язку, були багатомодові і розроблялись для роботи на довжинах хвиль 850 та 1300 нм. Слід зазначити, що перше вікно прозорості (l =850 нм) було визначене не стільки оптичними властивостями ОВ, скільки характеристиками перших стабільних напівпровідникових джерел випромінювання. Нині багатомодові ОВ використовуються головним чином на місцевих мережах зв’язку на базі систем передавання плезіохронної цифрової ієрархії з робочою довжиною хвилі l =1300 нм. Останнім часом багатомодові ОВ застосовуються на абонентських та розподільних лініях мереж доступу.

Одномодові ОВ розроблялись одночасно з багатомодовими, але з часом стали основними типами ОВ, які використовуються для потреб зв’язку. Першим типом одномодових ОВ були ОВ із східчастим ППЗ і серцевиною, легованою германієм. Такі одномодові ОВ досі називають стандартними. Їх характеристики регламентовані ITU-T Rec. G.652. Ці ОВ широко застосовуються як найбільш масові типи ОВ. Останнім часом їх фактичне загасання було знижене до рівня 0,18–0,19 дБ/км. Єдиний їх недолік – досить велика хроматична дисперсія на довжині хвилі l =1310 нм. Ліквідувати цей недолік мали одномодові ОВ із зміщенням дисперсії (відповідають ITU-T Rec. G.653 та ІЕС 60793-2). Ці ОВ застосовуються в системах зв’язку на базі синхронної цифрової ієрархії рівня STM-16 і вище, причому, головним чином, в США, Канаді, Мексиці та Японії. В Європі ці ОВ майже не застосовувались через відсутність потреби в лініях великої довжини та відносну дорожнечу.

Волоконно-оптичний кабель є складною багатокомпонентною системою, що містить не тільки ОВ – ключовий елемент ВОК, але і зміцнюючі і заповнюючі елементи, різноманітні полімерні матеріали, а в окремих випадках і металеві елементи.

Оптичні волокна – це компоненти ВОК, що складаються зі скляних або полімерних волокон.

Зміцнюючі елементи – нитки СВМ (синтетичного високомодульного матеріалу) різних номерів, які або розміщуються в полімерній трубці оптичного модуля, або покриваються полівінілхлоридною оболонкою (тоді цей елемент називається або силовим, або заповнюючим). Кількість і номер ниток СВМ визначається вимогами на розтягування, які пред'являються до ВОК.

Заповнюючі елементи – бавовняні нитки різних номерів для демпфування ОВ в конструкції ВОК.

Полімерні матеріали – різні синтетичні матеріали, які використовуються як внутрішні покриття окремих елементів і як зовнішні покриття ВОК в цілому. До них відносяться такі матеріали, як поліамід, фторопласт, поліетилен, полівінілхлорид, пінопласт і ін.

Металеві елементи – це або мідні (як правило, одножильні) провідники, кількість яких визначається вимогами до ВОК, або сталевий дріт у вигляді джгутів або екранів різних типів, які розміщено або всередині ВОК, або зверху полімерної захисної оболонки.

Існуючі ВОК розділяються на монтажні, об'єктові, міські, зонові, магістральні.

Монтажні – застосовуються для внутрішньоблочних і міжблочних з'єднань в персональних комп’ютерах і іншій апаратурі: довжина – 0,5…5 м; коефіцієнт загасання ≤100…200 дБ/км; смуга частот – 50 МГц·км; тип волокна «кварц-кварц» – «кварц-полімер» (всі із східчастим профілем заломлення); число волокон – будь-яке, що визначається комунікаційними вимогами; діапазон температур – 60…70°С; радіус вигину – 5 діаметрів кабелю; кут вигину – 360°; радіальний тиск – 0,1…0,2 МПа.

Об'єктові – застосовуються для побудови комунікацій всередині різних об'єктів (заводів, фабрик, установ, літаків, кораблів і інших): довжина – декілька сотень метрів; коефіцієнт загасання < 30…50 дБ/км; смуга частот – сотні МГц·км; число волокон – будь-яке, визначається конкретними умовами роботи; розтягуючі зусилля –  1000…2000 Н; кліматичні і механічні вимоги аналогічні монтажним кабелям.

Міські, зонові – застосовуються для організації зв'язку всередині міст, районів, областей: довжина – 200…300 км; ділянка ретрансляції-30 км (з перспективою збільшення до 50…100 км); коефіцієнт загасання <5 дБ/км на довжині хвилі 0,85 мкм; смуга пропускання-1000 МГц·км; кількість перемотувань –  400, у тому числі при –50°С з натягненням на кут 90°; число осьових закручувань – 50..100 на кут 360°, зокрема при –10…–20°С з натягненням.

Магістральні – застосовуються для організації зв'язку на великих територіях – всередині держав і між ними: довжина ≥ 2500 км; ділянка ретрансляції – 50…100 км; будівельна довжина – 1–4 км; коефіцієнт загасання – < 0,5 дБ/км на довжині хвилі 1,3 мкм і 0,2 дБ/км на довжині хвилі 1,55 мкм; смуга пропускання – декілька ГГц·км; число волокон – 8 і більше; розтягуюче зусилля – декілька тисяч ньютонів; роздавлюючі зусилля – 0,5…1 МПа; кліматичні умови, а також умови перемотувань, перегинів і осьових закручувань аналогічні до відповідних умов для міських кабелів.

Для оцінки експлуатаційних якостей ВОСПІ найчастіше вимірюються наступні характеристики.

1 Коефіцієнт відбиття – відношення інтенсивності сигналу, який поширюється в зворотному напрямку до інтенсивності сигналу, що поширюється вперед в даному перерізі лінії.

2 Рівень сигналу – пікова і середня інтенсивності несучого випромінювання у волоконному світловоді в даному перерізі лінії.

3 Втрати – різниця між потужностями переданого і прийнятого сигналів, що визначається загасанням в світловоді і різними втратами в пристроях введення, місцях зрощення, розгалужувачах і інших компонентах.

4 Розширення імпульсу – зміна форми сигналу, що викликана міжмодовою дисперсією і дисперсією матеріалу.

5 Відношення сигнал/шум – відношення інтенсивності корисного сигналу до сумарної інтенсивності всіх шумів в каналі.

6 Теплостійкість – здатність системи з ВОК витримувати зміни температур, тобто зберігати свої технічні характеристики в заданому інтервалі робочих температур.

7 Корозійна стійкість – здатність всіх матеріалів ВОК протистояти різним хімічним діям, особливо дії вологи.

8 Механічна міцність – здатність ВОК витримувати розтягуючі навантаження, перекручування, стикання в динамічному і статичному режимах і протистояти ударам і вібраціям.

9 Радіаційна стійкість – здатність ВОК протистояти дії ядерних випромінювань, які викликають зміни загасання і дисперсії в ОВ.

Техніко-економічні розрахунки показують, що заміна міських ліній зв'язку довжиною, наприклад, 1 км на основі 600‑парного кабелю типу ТГ на ВОК в одноволоконному виконанні завдовжки 1 км призведе до економії 4,5 тон міді і 8 тон свинцю.

Крім того, інші важливі переваги ВОК – широка смуга частот передачі інформації, неможливість пошкоджувати інформацію, що передається, несприйнятливість до цілого ряду зовнішніх дій, малі маса і габаритні розміри, що віднесені до одиниці об'єму інформації, укріплюють їх домінування в системах зв'язку.

Для ВОСП Сопка-4 підходить кабель ОМКЗГ, це універсальний тип ОК для прокладки у ґрунт, кабельні каналізації, пластикові труби.

Марка ОМЗКГЦ–10–0,1–0,35–8 розшифровується так: ОМЗКГ – оптичний магістральний і зоновий кабель для прокладання в грунті; 10 – діаметр модового поля волокна, мкм; 1 (2, 3) – номер розробки; 0,35 – коефіцієнт загасання, дБ/км; 8 – число волокон.

Рисунок 5.3 – Оптичний кабель магістрального зв'язку типу ОМЗКГЦ: 1 – Захисна оболонка з поліетилену; 2 – Броня з круглих сталевих проволок; 3 – Гідрофобний заповнювач; 4 – Осьовий елемент- центральна трубка з гідрофобним заповнювачем та оптичними волокнами; 5 – Оптичні волокна одномодові;

ОМЗКГЦ–10–1–0,35–8 – кабель оптичний магістральний і внутрішньозоновий,, з центральним профільованим елементом, в пази якого укладені одномодові ОВ з діаметром модового поля 10 мкм, гідрофобним заповнювачем, бронею з неметалічних армуючих елементів у вигляді склопластикових стрижнів і склониток, в поліетиленовій оболонці, з коефіцієнтом загасання до 0,35 дБ/км при довжині хвилі 1,3 мкм і з вісьмома ОВ. Будівельна довжина кабелю– 6 км.

Сколько нам нужно волокон в кабеле???

5.1 Розрахунок параметрів ОК Для одномодового ОВ

5.2 Розрахунок довжини регенераційної ділянки

Почему НРП находится в разделе вибір ОК?

Основу лінійних трактів становлять регенераційні пункти. Їхнє розміщення проводиться з урахуванням припустимих довжин ділянок регенерації, можливості дистанційного електроживлення й інших характеристик проектованої лінії .

Апаратура НРП розміщується в уніфікованому контейнері ґрунтового типу, який установлюється на бетонну плиту в ґрунт. Над контейнером установлюють металеву надбудову 2×2 м для захисту НРП від ушкоджень.

Досить важливим питанням при проектуванні ВОЛЗ є, визначення довжини ділянки регенерації, яка залежить від багатьох факторів: коефіцієнта загасання оптичних волокон, кількості з'єднань оптичних волокон, якості зварювання волокон і параметрів приймально-передавальних блоків системи передачі. Розрахунки можна робити по двом параметрам: по загасанню в кабелі й по величині дисперсії. Але тому, що в одномодових волокнах дисперсія майже відсутня, то довжину ділянки регенерації можна визначати тільки по загасанню.

Максимальна довжина ділянки регенерації по загасанню визначається за формулою:

L_pmax (5.1)

ЕП – енегретичний потенціал – 38 дБ

А_арп -діапазон АРП приймальної частини апаратури – 20 дБ

Р_з -запас системи за потужністю – 6 дБ

А_р – втрати потужності у роз’ємному з’єднанні джерела випромінювання в волокно - 0,02 дБ

А –коефіцієнт загасання ОК - 0,35 дБ/км

А_вв -втрати в місцях зварювання волокон між собою – 0,1 дБ

l_c- будівельна довжина кабелю – 6 км

L_pmax= = 87,5 км

Мінімальна довжина ділянки регенерації по загасанню визначається за формулою:

L_pmin= (5.2.2)

L_p1min= 32,9 км

Згідно з розрахунками довжина ділянки регенерації становить від 32,9 км до 87,5 км.

5.3 Розрахунок кількості НРП

Довжина проектованої магістральної ВОЛП становить 184 км. Для визначення місця установки НРП і їхньої кількості потрібно знати реальну довжину кабелю, що розраховується за формулою:

(5.2.3)

Де _тр – довжина проектованої траси;

1,02 – реальний коефіцієнт укладки кабелю.

За формулою5.3.1 визначаємо кількість дільниць регенерації:

(5.3.1)

– довжина ділянки регенерації – 87,5 км

= 2,14

Таким чином на лінії необхідно встановити 2 необслуговуваних регенераційних пункти (НРП).

5.4 Розміщення НРП на трасі

Перший НРП буде розташовуватися на відстані 60 км від м. Харків у

м. Богодухові. Другий НРП буде розташовуватися на відстані 74 км від

м. Богодухова у м. Тростянці.

5.4.1 Розрахунок захисного заземлення НРП

Після установки НРП його корпус заземлюється за допомогою лінійно-захисного заземлення, що призначено для заземлення металевих корпусів устаткування НРП. Величина опору заземлення залежить від питомого опору ґрунту й площі зіткнення заземлювачів із землею.

Ціль розрахунку складається у визначенні кількості вертикальних електродів, які необхідно встановити в даному ґрунті, щоб одержати нормований опір захисного заземлення, рівний 10 Ом.

Лінійно-захисне заземлення являє собою замкнутий контур із електродів, що забиваються в ґрунт на глибину промерзання. Електроди виготовляються металевих кутків розміром 50×50×50 мм довжиною 2,5 м, які з'єднуються при зварюванні сталевою смугою розміром 40×40 мм. Відстань між кутками дорівнює 5 м.

Кількість електродів залежить від питомого опору ґрунту й підлягає розрахунку. У місці установки НРП опір ґрунту 20 Ом/м. Питомий опір визначається за формулою:

(7.1)

де ρ_гр – задане значення питомого опору ґрунту, ρ_гр = 20 Ом/м.

Потім визначається опір електрода по формулі:

(7.2)

де _эл – довжина електрода, _эл = 2,5 м;

b - ширина полиці електрода з кутової сталі, b = 0,05 м;

t - відстань від поверхні землі до центру вертикального електрода, t = 1,75.

Визначивши опір електрода, необхідно розрахувати кількість електродів за формулою:

(7.3)

де R_эл – опір електрода, R_эл = 11,1 Ом;

R_н – номінальний опір, R_н = 10 Ом;

η_эл – коефіцієнт використання електродів, η_эл = 0,8.

Таким чином, для побудови лінійно-захисного заземлення необхідно два електроди.

Тепер визначаємо опір шини по формулі:

(7.4)

де b_ш – ширина шини, b_ш = 0,04 м;

t_ш – глибина прокладки шини, t_ш = 0,7 м;

_ш – довжина шини, _ш = 5 м.

Знаючи опір одного електрода й опір шини можна визначити загальний опір по формулі:

(7.5)

З розрахунку видно, що R_з < R_н, отже, розрахунок лінійно-захисного заземлення виконаний вірно.

Рис 5.4 Схема обладнання заземлення

5.5 Розрахунок енергетичного балансу

Оцінка енергетичного балансу системи є зручним способом аналізу втрат у лінії. Основне завдання лінії зв'язку - забезпечення передачі достатньої кількості оптичної потужності до приймача. Енергетичний баланс визначається різницею між переданою потужністю й чутливістю приймача. Завбачливий підхід до конструювання лінії повинен ураховувати деякий запас надійності.

Цей запас збільшує час експлуатації передавального пристрою, потужність якого згодом падає. Можливо також появи на лінії додаткових з'єднань, що вносять втрати. Крім того, треба брати до уваги вигини й механічні натяги кабелю. Звичайно запас надійності повинен становити від 3 до 6 дБ (0,5 - 5 мВт).

На підставі розрахунку будується графік, що показує рівні потужності в різних крапках лінії, у тому числі в кінцевій крапці, у якій перебуває приймач. Різниця між одержуваною приймачем потужністю і його чутливістю і являє собою запас надійності.

Вихідні дані, необхідні для розрахунку енергетичного балансу, наведені в таблиці 4.1.

Таблиця 4.

N п/п	Параметри	Од.вим.	Значення
1	Передана потужність	дБ
2	Загасання оптичного волокна	дБ/км	0,7
3	Довжина регенераційної ділянки	км	87,5
4	Загасання на з’єднанні	дБ	0,1
5	Мінімальна прийнята оптична потужність	дБ
6	Будівельна довжина кабелю	км	6
7	Втрати на з’єднуваннях	дБ	0,04

Розрахунок енергетичного балансу виконаємо для першої регенераційної

ділянки довжиною 75 км.

Кількість з΄єднань(оптичний крос) - 2 шт., тоді втрати на з΄єднаннях: [дБ] (4.1)

дБ

Кількість з'єднань оптичного волокна:

(4.2)

де _р.в. – довжина регенераційної ділянки;

_стр. – будівельна довжина кабелю.

з'єднань

Втрати на з'єднаннях оптичного волокна становлять:

[дБ] (4.3)

дБ

Загасання оптичного волокна:

[дБ] (4.4)

де α – кілометровий коефіцієнт загасання;

_{каб.р.в.} - довжина кабелю регенераційної ділянки

дБ