Электрические и волоконно-оптические линии связи

120

Магистральные кабели предназначены для передачи информации на большие расстояния и на большое число каналов. Они обладают малыми затуханием и дисперсией и большой информационнопропускной способностью.

Зоновые кабели предназначены для связи областного центра с районами и городами области. Дальность связи, как правило, составляет порядка сотни километров.

Городские кабели применяют в качестве соединительных между городскими АТС и узлами связи. Они рассчитаны на короткие расстояния (5... 10 км) и большое число каналов.

В зависимости от условий эксплуатации ОК подразделяют на следующие группы:

подземные,

подводные,

подвесные.

Подземные ОК прокладывают в грунте: вдоль полотна железных и автомобильных дорог; в кабельной канализации: в асбестцементных или пластмассовых трубах; в тоннелях.

Подводные кабели предназначены для осуществления связи через большие водные преграды. Применяемые для этой цели оптические кабели должны обладать высокой механической прочностью на разрыв и иметь надёжные влагостойкие покрытия.

Подвесные ОК применяют для прокладки на грозотросе и фазовом проводе ЛЭП, контактной сети электрифицированных железных дорог, для прокладки на опорах воздушных линий связи, трамвайной и троллейбусных линий.

8.2 Конструкция и маркировка ОК

Заводы-изготовители предлагают на выбор конструкции ОК с несколькими базовыми конструкциями оптических сердечников: либо с центральным оптическим модулем (ОМ) либо с различным числом ОМ и элементов заполнения вокруг центрального силового элемента (ЦСЭ); несколькими вариантами брони (круглая проволока, стальная лента, арамидные нити), внутренних и наружных оболочек.

Унификация выпускаемых ОК заключается, прежде всего, в унификации оптического сердечника. Это либо ОК с ЦСЭ (стеклопластик или стальной трос) и несколькими элементами повива – ОМ и корделей заполнения либо ОК с оптическим сердечником, в центре которого расположена полимерная трубка с ОВ, выполняющая роль центрального ОМ. Большинством кабельных заводов освоены конструкции ОК с многомодульным оптическим сердечником повивного типа с количеством ОМ от 2 до 18, а в каждом ОМ - от 2 до 24 ОВ. Механические характеристики кабеля характеризуются допустимыми растягивающими и раздавливающими усилиями, которые определяются маркой ОК, зависят от вида прокладки (подземные, подводные) [18].

На рис. 8.1 в качестве примера представлены основные компоненты оптического кабеля, предназначенного для прокладки в грунтах, кабельной канализации, трубах и коллекторах.

121

Рис. 8.1 – Конструкция волоконно-оптического кабеля

Более подробно остановимся на буферной оболочке, силовом элементе и внешней оболочке. Буферная оболочка предназначена для защиты ОВ от механических воздействий и влаги.

Наиболее простой вид буфера представляет собой пластиковую оболочку, расположенную поверх оптической оболочки. Данный буфер является частью волокна и наносится производителями волокна.

Силовые элементы - важная часть ВОК, особенно в процессе протягивания во время монтажа линии. Уровень напряжений в кабеле в процессе протяжки и других действий при монтаже таков, что может вызвать увеличение потерь за счет возникновения микроизгибов, что в свою очередь приводит к возрастанию затухания и возможным эффектам «усталости» материала. Чтобы снять эти нагрузки во время монтажа и эксплуатации, в структуру ВОК добавляются внутренние силовые элементы. Эти элементы обеспечивают свойства растяжения под нагрузкой, подобно тому, что имеет место при прокладке телефонных линий и других кабельных конструкций. Они предохраняют ВОК от перегрузки путем минимизации удлинений и сжатий. Нужно иметь в виду, что оптическое волокно хрупкое и растягивается очень мало, перед тем как разорваться. Таким образом, силовые элементы должны иметь лишь небольшое удлинение под действием ожидаемой растягивающей нагрузки.

Наиболее распространенными силовыми элементами являются кевларовая нить, стальные и эпоксидные стержни. Кевлар используется тогда, когда каждое волокно помещается внутри индивидуальной оболочки. Стальные нити и стекловолокна применяются в многожильных кабелях. Сталь характеризуется лучшей механической устойчивостью по сравнению со стекловолокном, но в ряде случаев требуется изготовление полностью диэлектрических кабелей.

Внешняя оболочка. Внешняя оболочка, подобно изоляции провода, обеспечивает защиту от механического трения, масла, озона, кислот, щелочей, растворителей и т.д.

Броневые покровы. Применяются для защиты подземных ОК от давления земляной засыпки. Наряду с традиционными видами стальной проволочной брони широко используют оплетку из тонких стальных проволок и броню из неметаллических материалов в виде повива из арамидовых нитей или

122

пластмассовых лент с упрочняющими стекловолокнами. Подводные кабели имеют усиленную двойную броню из стальной проволоки с цинковым покрытием или проволоки из нержавеющей стали.

Гидрофобные заполнители. В ОК наружной прокладки очень важна защита ОВ от проникновения воды. Традиционный метод защиты заключается в использовании гидрофобного компаунда в виде желе или геля. Компаунд в сердечник вводят под давлением при температуре 65...70 °С.

Оболочки, бронепокровы в соответствии с их функциональными назначениями и областью применения должны обеспечивать:

герметичность и влагостойкость;

механическую защиту;

стойкость к воздействию соляного тумана, солнечного излучения;

стойкость к избыточному гидростатическому давлению;

защиту от грызунов;

нераспространение горения.

В настоящее время известны две конструктивные разновидности оптического кабеля:

Кабели, содержащие металлические элементы (проводники, оболочки из свинца или алюминия, бронепокровы).

Кабели полностью диэлектрические (без металла).

Кдостоинству первых относятся высокая механическая прочность и влагостойкость. По медным проводникам можно осуществлять служебную связь, использовать их для дистанционного электропитания линейных регенераторов и находить трассу прокладки кабеля. Но такие кабели уязвимы

вотношении электромагнитных воздействий (грозы, промышленные и транспортные помехи и др.) и имеют большие габариты и массу.

Диэлектрические кабели свободны от электромагнитных воздействий, но менее прочны механически, менее влагостойки и подвержены агрессии со стороны грызунов.

Для определения области применения и технических характеристик ОК служит маркировка, представляющая собой аббревиатурную запись таких основных параметров ОК, как:

 назначение и область применения;  конструкция сердечника;  материал оболочек;  наличие брони;

 число ОМ и количество ОВ в нем;  тип ОВ;

 рабочая длина волны и коэффициент затухания на ней;  полоса пропускания на рабочей длине волны;  дисперсия;  допустимое растягивающее усилие и др.

Ксожалению, в маркировках отечественных ОК используется множество разных обозначений. Ниже на рис. 8.2 в качестве примера представлен вариант маркообразования и кодового обозначения оптического кабеля ЗАО НФ «Электропровод».

123

Количество служебных жил

Предпочтительный ряд количества оптических волокон в кабеле: от 4 до 144 шт. (четное число)

Коэффициент затухания ОВ в кабеле

Тип оптического волокна: 10–одномодовое. Рек. МСЭ-Т G.652

50;62,5–многомодовое градиентное. Рек. МСЭ-Т G.651

Тип центрального силового элемента (для многомодульного оптического сердечника); Т–трос стальной; П–стеклопластиковый

Наружный номинальный диаметр оптического модуля или центральной трубки

Количество элементов оптического сердечника

Тип оптического сердечника: М – многомодульный Т – одномодульный

Тип внешнего силового элемента: Т–трос стальной; П–стеклопластиковый пруток; А–арамидные нити

Тип брони:

С – из стальной гофрированной ленты Б – из круглых стальных проволок

О – в виде оплетки из стальных проволок А – из арамидных нитей П – из стеклопластиковых прутков

Тип наружной оболочки:

Полиэтиленовая оболочка или отсутствие оболочки в кодовом обозначении не указывается В – оболочка из поливинилхлоридного пластиката или другого полимерного материала Н – оболочка, не распространяющая горение

ОК – оптический кабель

Рис. 8.2 Структура кодового обозначения марок кабелей

Первой позиции всегда соответствует индекс (символ) «ОК», означающий «Оптический кабель». Марки кабелей, в зависимости от условий применения, могут содержать от 4 до 6 индексов. В структуре кодового обозначения конструктивные элементы, собственно образующие марку кабеля, соответствуют пяти позициям: 2, 3, 5, 7 и 10. Позиции 4,6, 11, 13, 15 и 17 дают более подробную информацию, например, о диаметрах ОМ и дополнительной оболочки ОВ, комбинации ОВ различных типов и значений их коэффициентов затухания на разных длинах волн, типах наружных покровов и внешних силовых элементов.

Пример 1. Кабель с оболочкой из полиэтилена, не распространяющего горение, с броней из стальной гофрированной ленты; ЦСЭ из стеклопластикового прутка, вокруг которого скручено восемь элементов скрутки диаметром 3,0 мм, в том числе четыре служебных жилы и четыре ОМ с 32 многомодовыми ОВ с диаметром сердцевины 50 мкм; коэффициент затухания ОВ до 1,0 дБ/км на длине волны 1300 нм:

ОКСН-М8(3,0)П-50-1,0-32/4

124

Пример 2. Оптический кабель СП ЗАО «Самарская оптическая кабельная компания»

Кабель встроен в грозозащитный трос с оптическим сердечником, имеет диэлектрический ЦСЭ, вокруг которого скручены ОМ, гидрофобное заполнение внутримодульного пространства, алюминиевую оболочку и армирующие металлические элементы; 30 одномодовых волокон; коэффициент затухания не более 0,36 дБ/км на длине 1,31мкм и дисперсия 3,5 пс/(нм × км), коэффициент затухания 0,22 на длине волны 1,55 мкм и дисперсия 18 пс/(нм × км); имеет термическую стойкость к току КЗ 90 кА и минимальную разрывную нагрузку 9300 кг. Номинальный наружный диаметр 14,7 мм:

ОКГТ-01-6-30-10/125-0,36/0,22-3,5/18-14,7-90/93

Пример 3. Оптический кабель ЗАО «ОКС 01». Кабель с многомодульным оптическим сердечником, диэлектрическим ЦСЭ, полиэтиленовой оболочкой; 24 одномодовых ОВ; оптический сердечник – в виде повива из шести элементов (шесть ОМ по четыре ОВ в каждом); статическое растягивающее усилие 2,7 кН; раздавливающее усилие 0,5 кН/см; не распространяет горение:

ДПО-024Е04-06-2,7/0,5-Н

Глава 9 Пассивные компоненты ВОЛС

9.1 Соединители оптических волокон

Пассивные оптические компоненты включают в себя оптические соединители, розетки, шнуры, распределительные панели, кроссовые шкафы, соединительные муфты, оптические разветвители, аттенюаторы, системы спектрального уплотнения и т.д., то есть всё, что необходимо для обеспечения передачи оптического сигнала по волоконно-оптическому кабелю от передатчика к приёмнику. [16]

По мере роста сложности и увеличения протяжённости волоконно-оптической кабельной системы роль пассивных компонентов возрастает. Практически все системы волоконно-оптической связи, предназначенные для магистральных информационных сетей, локальных вычислительных сетей, а также для сетей кабельного телевидения, охватывают сразу всё многообразие пассивных волоконнооптических компонентов.

Одной из самых важных задач, которую необходимо решить при построении любой оптической системы связи, является задача обеспечения надёжного соединения оптических волокон. Оптический соединитель - это устройство, предназначенное для соединения различных компонентов волоконнооптического линейного тракта в местах ввода и вывода излучения. Такими местами являются: оптические соединения ПОМ и ПрОМ с оптическими кабелями, соединения отрезков ОК между собой, а также с другими компонентами.

Различают неразъёмные и разъёмные соединители. Неразъёмные соединители используются в местах постоянного монтажа кабельных систем. Разъёмные соединения (широко употребляется термин коннекторы (connectors)) допускают многократные соединения/разъединения.

Основными требованиями к оптическим соединителям являются:

малые вносимые потери;

малое обратное отражение;

устойчивость к внешним механическим, климатическим и другим воздействиям;

высокая надёжность;

простота конструкции.

Дополнительно к разъёмным соединениям предъявляют требования неизменности параметров при многократных соединениях. Кроме того, любая их целесообразная конструкция по возможности должна исключать необходимость дополнительной юстировки.

125

9.1.1 Разъемные соединители

На рынке существует большое количество специализированных оптических разъемов. Волоконно-оптические разъемы доступны в двух типоразмерах: разъемы стандартного размера и миниатюрные оптические разъемы.

Номенклатура стандартных соединителей достаточно велика. Наиболее широкое распространение получили соединители FC, ST и SC, которые различаются по уровню затухания света в них, конструкции и материалам изготовления.

Вносимые потери. Вносимые разъемными соединителями потери можно разбить на две категории: внутренние и внешние потери.

Внутренние потери определяются факторами, которые невозможно контролировать, а именно: парной вариацией диаметров сердцевин, показателей преломления, числовых апертур, эксцентриситетов (неконцентричностей) сердцевина/оболочка и концентричностей сердцевины у ОВ с разных сторон. На внутренние потери влияет технология производства ОВ и соответствующие критерии контроля качества

[16].

Потери из-за вариации показателей преломления являются следствием чисто френелевского рассеяния и определяются в простейшем случае для волокна со ступенчатым профилем как:

где n1/ и n1// – показатели преломления сердцевин волокон.

Потери при вариации апертур (рис. 9.1) возникают в том случае, если апертура волокна NA1, передающего сигнал, больше апертуры волокна NA2, принимающего сигнал, и определяются как

Если NA1< NA2, апертурные потери не возникают.

Рис. 9.1– Разница числовых апертур

Потери при вариации диаметров возникают, когда диаметр d1 передающего волокна больше диаметра d2 принимающего, и определяются соотношением

При d1< d2 потери не возникают.

Потери в месте соединения одномодовых ОВ, возникающие из-за разности диаметров модовых пятен, описываются формулой [17]

Внешние потери – это потери, которые являются следствием несовершенства как самой конструкции соединителя, так и процесса сборки оптического шнура. Внешние потери зависят от таких факторов, как: механическая нестыковка, шероховатости не торце сердцевины, загрязнение торцов, стыкуемых волокон.

Потери, обусловленные непараллельностью осей соединяемых волокон, прямо пропорциональны квадрату угла θ между осями волокон (рис. 9.2):

где n1 – показатель преломления сердцевины ОВ.

Рис. 9.2– Осевое смещение

Обычно волокна соединяют так, что угол между их осями θ меньше десятых градуса. Учитывая, что dмп ≈ 10 мкм, потери получаются меньше 0,01 дБ.

Потери, возникающие из-за смещения s cердцевин волокон друг относительно друга (рис. 9.3), определяются как

128

определяет их чрезвычайно низкие потери при сварке (0,02 дБ) и пренебрежимо малые обратные потери (< 70 дБ). Кроме этого, качество сварного соединения характеризуется прочностью сварного соединения.

Механические неразъемные соединители. Механическое соединение - сплайс— небольшой участок механически соединенного оптоволокна длиной 6 см и диаметром 250 мкм-1мм.. Механические сплайсы необходимы для организации временного соединения. Вносимые потери за счет механического соединения обычно выше, чем сварного соединения, и имеют порядок 0,1 — 0,8 дБ. В настоящее время разработано несколько видов механических неразъемных соединителей. Все они имеют следующие общие характеристики: легко устанавливаются в полевых условиях, с использованием только простого инструмента.

9.2 Оптические изоляторы

Оптические изоляторы или вентили обеспечивают пропускание света в одном направлении почти без потерь, а в другом (обратном) направлении с большим затуханием.

В основе работы оптического изолятора лежит эффект Фарадея – вращение плоскости поляризации света оптически неактивными веществами под действием продольного магнитного поля.

Оптический изолятор состоит из трех элементов: поляризатора 1 (входного поляризатора), ячейки Фарадея 2 и анализатора 3 (выходного поляризатора), рис. 9.5. Параметры ячейки Фарадея выбираются так, чтобы ось поляризации света, проходящего через нее, разворачивалась на 45о. Под таким же углом устанавливаются оси поляризаторов. Входной полезный сигнал, проходя через поляризатор 1, оставляет свою вертикальную составляющую без изменения, устраняя горизонтальную составляющую.. Далее вертикально поляризованный свет проходит через ячейку Фарадея 2, разворачивает плоскость поляризации на 45о и беспрепятственно проходит через анализатор 3. При распространении света в обратном направлении он также поляризуется в плоскости анализатора 3, затем, проходя через ячейку Фарадея 2, становится горизонтально поляризованным. Таким образом, оси поляризации света и поляризатора 1 составляют угол 90о, поэтому поляризатор 1 не пропускает обратное излучение.

Рис. 9.5– Схема оптического изолятора:

а) сигнал в прямом направлении; б) сигнал в обратном направлении

Таблица 9.1 - Технические параметры оптических изоляторов

Основными требованиями, предъявляемыми к оптическому изолятору, являются малые вносимые потери в прямом направлении (~ 1-2 дБ) и высокая изоляция (потери при распространении обратного сигнала) в обратном направлении (> 30 дБ).

129

Кроме того, должны обеспечиваться прозрачность во всем диапазоне рабочих длин волн, стабильность параметров при изменении температуры. В таблице 9.1 представлены технические характеристики двух моделей оптических изоляторов.

Аттенюаторы.

Аттенюаторы используются с целью уменьшения мощности входного оптического сигнала. По принципу действия аттенюаторы бывают переменные и фиксированные. Переменные аттенюаторы допускают регулировку величины затухания в пределах 0-20 дБ с точностью установки величины затухания 0,5 дБ. Регулировка достигается путем изменения величины воздушного зазора. Фиксированные аттенюаторы имеют установленное изготовителем значение затухания, величина которого может составлять 0, 5, 10, 15 или 20 дБ. Затухание может вноситься посредством специального поглощающего фильтра, встроенного в аттенюатор.

9.3 Распределители оптического излучения

В зависимости от выполняемых функций распределители оптического излучения (РОИ) (рис. 9.6) подразделяются на: неселективные делители-сумматоры мощности – оптические разветвители (ответвители); спектрально селективные делители-сумматоры сигналов – волновые мультиплексоры/демультиплексоры; управляемые внешним воздействием распределители оптических сигналов – переключатели (коммутаторы).

Рис. 9.6- Распределитель оптического излучения

-потери на распределение с n выходными полюсами α = -10lg 1n ;

-разброс в распределении мощности по выходным полюсам dРj = - 10lg Pj ;

Pj n

-оптическое переходное затухание между каналами

а) на ближнем конце Di = P4 ;

P1

б) на дальнем конце Dj = P2 ;

P23

-стабильность характеристик при изменении внешних условий.

9.3.1 Разветвители и ответвители