ПР_1оМ(БСС)

План УМД на 2019/2020 уч.г.

Практикум № 1оМ

ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ

Составитель: О. В. Колесников, канд. техн. наук, ст.преподаватель

Изложены элементы конструкций оптических кабелей, особенности построения сердечников оптических кабелей и внешних защитных покрытий.

Издание утверждено на заседании кафедры Протокол № 9 от 21.10. 2019 г.

Рецензент А.Л. Зубилевич, к.т.н., доцент

2

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение конструкций сердечников оптических кабелей, оптических волокон и оптических модулей, ознакомление со свойствами кабельных материалов, конструкциями оптических кабелей и их маркировкой.

2ЗАДАНИЕ

1.Ознакомиться с принципами работы оптических с волокон и их классификацией.

2.Изучить конструкции оптических волокон и оптических модулей, используемых в оптических кабелях связи.

3.Изучить принципы конструктивного решения оптических кабелей связи, ознакомиться

спримерами конструкций оптических кабелей, их маркировкой.

4.Ознакомиться с кабельными материалами, используемыми при производстве оптических кабелей.

5.Для заданного варианта оптического кабеля найти его основные параметры, разобрать маркировку, зарисовать конструкцию, привести характеристики используемого оптического волокна. Вариант задается преподавателем.

3ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1Конструкции и принцип работы оптических волокон

Подобно тому, как в электрических кабелях связи средой распространения сигнала является пара изолированных металлических проводников, в оптических кабелях связи средой распространения сигнала является оптическое волокно (ОВ). Обычно в качестве материала волокна используется плавленый кварц (двуокись кремния, (SiO2) высокой степени очистки.

При этом распространению сигнала способствует изменение величины диэлектрической проницаемости материала в поперечном сечении волокна. Поскольку волокна используются для передачи волн оптического диапазона, то вместо относительной диэлектрической проницаемости ε обычно пользуются связанным с ней и употребляемым в оптике коэффициентом преломления n, который для немагнитных материалов, имеющих

относительную магнитную проницаемость μ=1, равен n=√ .

Изменение коэффициента преломления материала волокна достигается за счет добавок к чистому кварцу определенных примесей. Чаще всего используют двуокись германия GeO2, уменьшающую величину n. Дозировкой присадки добиваются требуемой

величины коэффициента преломления, которая в светодиодах находится в пределах 1,45 - 1,5.

3

Конструкция оптического волокна приведена на рисунке 1, а его поперечного сечения на рисунке 2.

Рисунок 1 - Конструкция ОВ 1 – сердцевина; 2 – оболочка; 3 – защитное покрытие

Рисунок 2 - Поперечное сечение оптического волокна

Основная доля энергии передаваемого сигнала сосредоточена в сердцевине, имеющей коэффициент преломления n1. Оболочка, имеющая меньшую величину коэффициента преломления n2, обеспечивает удержание энергии внутри сердцевины.

Укрепление волокна достигается за счет наличия защитного покрытия. Покрытие содержит: лаковую пленку t = 5 - 10 мкм, препятствующую появлению и развитию поверхностных микротрещин; буферный слой эластичного полимера, защищающий стеклянную часть волокна от бокового сжатия; внешний слой из полимерного материала с высоким модулем упругости, работающий на сжатие и на растяжение. Наряду с механической функцией, защитное покрытие препятствует появлению взаимных помех между волокнами кабеля.

Волокна делятся на два основных типа: многомодовые и одномодовые. Для всех типов волокон, применяемых в линиях связи, диаметр кварцевой оболочки имеет стандартный размер 125±1 мкм. Номинальный диаметр сердцевины у многомодовых волокон 50 или 62,5 мкм. Диаметр сердцевины у одномодовых волокон 10 мкм. Существуют два варианта многомодовых волокон: со ступенчатым и градиентным профилем показателем преломления сердцевины.

В многомодовом волокне со ступенчатым профилем показателя преломления распространяется одновременно большое число мод – лучей, введенных в волокно под

4

разными углами. Основным недостатком такого волокна является наличие межмодовой дисперсии, возникающей из-за того, что разные моды проделывают в волокне разный оптический путь.

Вградиентном волокне моды распространяются по параболическим траекториям и разность их путей, а, следовательно, и межмодовая дисперсия существенно меньше, чем в многомодовом ОВ со ступенчатым профилем.

Многомодовые волокна оптимизированы для работы на длине волны 850 нм. Большая ширина полосы пропускания градиентных волокон (400...1000 МГц км) обеспечивается жестким технологическим контролем формы (параболической) профиля показателя преломления. Эти волокна, в основном, применяются в локальных и внутриобъектовых сетях.

Типы одномодовых волокон отличаются друг от друга только формой профиля показателя преломления, они оптимизированы для работы на длинах волн 1300 нм и 1500 нм. В настоящее время существуют три основных типа одномодовых волокон: стандартные одномодовые волокна (SM), волокна со смещенной дисперсией (DS) и волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS).

Вволоконно оптических линиях передачи используются следующие волокна: G.652стандартное одномодовое волокно, G.653-одномодовое волокно с нулевой смещенной дисперсией, G.654-одномодовое волокно со смещенной длиной волны отсечки, G.655одномодовое волокно с нулевой смещенной дисперсией, G.656-одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией для широкополосной передачи данных, G.657одномодовое волокно с уменьшенными потерями на малых радиусах изгиба для прокладки внутри зданий и сооружений.

При использовании оптических волокон с отрицательной дисперсией типа TrueWave XL (OFS), SMFLS (Corning) в качестве компенсирующих волокон с положительной дисперсией применяют стандартные ступенчатые оптические волокна. В этом случае, дополнительно к снижению отношения сигнал/помеха приводят большие максимальные абсолютные значения дисперсии на регенерационном участке.

Влияние этого фактора снижается при использовании волокон с согласованными дисперсионными характеристиками. Например, волокон типа TrueWave IDF/SLA. Волокна SLA - это волокна c несмещенной положительной дисперсией, у которых площадь эффективного сечения на 33% больше, чем у стандартного ступенчатого волокна, обладающие малым затуханием и малой величиной PMD. Волокно IDF имеет аналогичные характеристики, но меньшее эффективное сечение и отрицательную дисперсию. Причем наклон дисперсионной кривой подобран так, что по модулю он совпадает с наклоном дисперсионной кривой волокна SLA, но противоположен ему по знаку. В результате наклон результирующей дисперсионной кривой на участке с группированием волокон SLA и IDF получается предельно малым в относительно широком диапазоне длин волн.

Для удовлетворения требований для магистральных сетей было разработано оптическое волокно с увеличенной площадью эффективного сечения LEAF (Corning). За счет увеличенной площади эффективного сечения обеспечивается более глубокое подавление нелинейных эффектов и, как следствие, увеличение отношения сигнал/помеха. Кроме того, увеличение эффективного сечения при прочих равных условия, позволяет передавать в волокне большую мощность и соответственно увеличить расстояние между усилителями.

При использовании оптических волокон TrueWave Reach (OFS) увеличения отношения сигнал/помеха добиваются путем более глубокого подавления помех межсимвольной интерференции, причина которых - дисперсия. Это обеспечивается за счет уменьшения наклона дисперсионной кривой в волокнах (примерно до 0,045 пс/нм2∙км). Кроме того, малый наклон позволяет расширить рабочий диапазон длин волн в область S и упрощает компенсацию дисперсии.

5

Эффективное решение для региональных и городских сетей связи – использование волокон MetroCor (Corning). Это волокна типа NZ-DSF. Они оптимизированы для работы в диапазонах C+L (в рабочих диапазонах EDFA). Но, поскольку они имеют ненулевую отрицательную дисперсию в диапазоне 1250 –1625 нм, то могут работать во всем спектральном диапазоне. За счет отрицательной дисперсии компенсируется уширение импульса из-за чирпа источника, что позволяет работать с такими источниками без дополнительных компенсаторов дисперсии. В частности, при скорости в оптическом канале 2,5 Гбит/с на расстояния до 300 км. Подобные же характеристики имеют волокна WideLigth (Pirelli).

К оптическим волокнам сетей доступа, протяженность которых обычно не превышает 20 км, особых требований не предъявляют. Даже при скорости передачи до 40 Гбит/с на подобных сетях могут быть использованы стандартные ступенчатые волокна. Однако, с учетом перспектив внедрения пассивных оптических сетей и CWDM, следует рекомендовать оптические волокна LPW (Low Water Peak) с малым затуханием во всем используемом спектре частот. Это волокна SMF28e, AllWave, E-SMF и т.п.

3.2 Оптические модули применяемые в ОК и элементы конструкции сердечника

Оптический модуль (ОМ) – самостоятельный конструктивный элемент ОК, содержащий одно и более ОВ, выполняет функции защитного элемента, уменьшает опасность обрыва ОВ и обеспечивает стабильность его работы при воздействии продольных и поперечных сил.

ОМ могут быть следующих типов: трубчатые, профилированные, ленточные.

Втрубчатом ОМ оптические волокна могут свободно укладываться либо без скрутки (рис. 3, а), либо путем скрутки вокруг центрального силового элемента (рис.3, б), либо размещаться в плотном буферном покрытии (рис.3, в).

Плотный буферный слой увеличивает сопротивляемость ОВ к сжатию и изгибам.

Впрофилированном ОМ в спиралеобразных пазах V- образного типа, образуемых в полимерном стержне, ОВ (одно или несколько) свободно укладываются по спирали. Силовой элемент в центре профилированного стержня обеспечивает необходимые механические параметры и стойкость к температурным изменениям (рис.3, г).

Вленточном оптическом модуле оптические волокна от двух и более размещаются в линейный ряд, образуя линейный элемент. Фиксация ОВ в линейном элементе может осуществляться с помощью полимерного материала по длине элемента, выполняющего функцию вторичного защитного покрытия (рис.3, а), или адгезивного слоя и наложенных поверх синтетических лент (рис.3, б).

Рисунок 3 - Примеры конструкций оптических модулей а), б) и в) – трубчатых; г) – профилированного

1 – трубка; 2 – водоблокирующие нити или гидрофобный компаунд; 3 – ОВ в защитном покрытии; 4 – ЦСЭ; 5 – ленты; 6 – стержень профилированного типа соспиралеобразным V-образными пазами; 7 – плотный буферный слой

6

Основным материалом для скрепления элементов сердечника ОК повивной скрутки является полиэтилентерефталатная лента, обеспечивающая фиксацию элементов конструкции сердечника до наложения полимерной оболочки и предотвращающая вытекание из сердечника гидрофобного заполнителя.

Силовые элементы. В качестве центрального силового элемента ОК повивной скрутки используют стеклопластиковый стержень, а также стальную проволоку или трос с полимерным покрытием. Для изготовления ОК, предназначенных для прокладки в грунт, в качестве центрального силового элемента преимущественно используются стеклопластиковый стержень, с целью повышения стойкости ОК к внешним электромагнитным воздействиям.

Стеклопластиковые прутки, арамидные нити (наиболее широко известные торговые марки арамидных нитей – «кевлар» и «тварон») применяют, в основном, в качестве силовых элементов диэлектрических ОК, предназначенных для подвески на опорах ЛЭП, опорах контактной сети и автоблокировки электрифицированных железных дорог, а также для ОК, предназначенных для прокладки в условиях сильных электромагнитных воздействий.

Силовые элементы, расположенные в центре ОК, обеспечивают большую гибкость, а на периферии – большую стойкость ОК к ударам и растягивающим нагрузкам.

Бронепокровы. Для защиты ОК от механических повреждений на кабельный сердечник накладывается броня из круглых оцинкованных или из нержавеющей стали проволок в виде одного или нескольких слоев. Например, в ОК для прокладки через судоходные реки, в районах с пучением грунта, используется двухслойная круглопроволочная броня. Применяется также броня из продольно наложенной стальной гофрированной ленты, обеспечивающая защиту от грызунов, механических воздействий и поперечной диффузии влаги (лента Zetabon). Стальная лента изготавливается из низкоуглеродистой стали и имеет хромовое покрытие, которое наносится электролитическим путем. На ленту с обеих сторон наносится полимерное покрытие. В процессе нанесения наружной оболочки полимерное покрытие стальной ленты расплавляется, образуя надежное сцепление между стальной лентой и наружной полимерной оболочкой.

В диэлектрических ОК, не содержащих металлические элементы, броня может быть выполнена из высокопрочных арамидных нитей и стеклопластиковых прутков.

Защитные оболочки. Поверх бронепокровов накладываются внешние пластмассовые оболочки, защищающие ОК от внешних воздействий и влаги. Между бронепокровом и пластмассовой оболочкой для предотвращения распространения влаги по ОК вводится гидрофобный заполнитель или водоблокирующая лента. Для изготовления оболочек ОК чаще всего применятся полиэтиленовые композиции, в которые вводят различные компоненты, способствующие повышению стойкости материала к старению, к солнечной радиации и др. В частности, повышение стойкости полиэтилена к солнечной радиации обеспечивается за счет введения газовой сажи в объеме около 3%, в связи с чем наружные полиэтиленовые оболочки ОК имеют преимущественно черный цвет. Одним из недостатков полиэтилена является его горючесть, поэтому ОК с полиэтиленовыми оболочками используются только для наружной прокладки. Применять их для кабелей, прокладываемых внутри зданий, в коллекторах и туннелях, нельзя по соображениям пожаробезопасности. Для прокладки внутри помещений, коллекторах, туннелях исходя из требований пожаробезопасности используются ОК с оболочками из полиэтиленовых композиций, не поддерживающих горение, а также с оболочками из поливинилхлоридного пластиката.

3.3 Маркировка оптических кабелей

Чтобы любой специалист мог быстро расшифровать аббревиатурную запись, обозначения одних и тех же параметров ОК различных производителей (заводов) должны

8

быть унифицированы. Такая унификация имеется для маркировки электрических кабелей связи. Например, все заводы, выпускающие телефонные кабели с полиэтиленовой изоляцией и алюмополиэтиленовой оболочкой, маркируют эти кабели как ТППэп. Здесь всем всё ясно. В маркировке же ОК отечественного производства указанная унификация отсутствует.

Оптические кабели, предназначенные для использования в одинаковых условиях, должны иметь 3 – 4 общих аббревиатуры, остальные знаки могут отражать особенности их конструкции. Проблема маркировки ОК успешно решается на основе опыта международных институтов, разрабатывающих надежную систему стандартизации и маркировки. Наиболее оптимально эту важную работу, выполняет ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт кабельной промышленности».

Анализ маркировки ОК, выпускаемых отечественными предприятиями, показал, что наиболее близко к унификации маркировки электрических кабелей связи и принятой классификации ОК находится ЗАО «Самарская оптическая кабельная компания» (СОКК). Приведем принцип маркировки линейных оптических кабелей связи ЗАО «СОКК» для различных условий их прокладки, который, как отмечено выше, хорошо согласуется с принципом маркировки электрических кабелей связи.

1.Оптический кабель линейный для пневмозадувки в защитные пластмассовые трубы – ОКЛ-01-6-48-10/125- 0,36/0,22-3,5/18-2,7.

ОК – оптический кабель; Л – линейный; 01 – центральный силовой элемент из стеклопластика; 6 – количество элементов в повиве сердечника; 48 – количество ОВ; 10/125: числитель – диаметр сердцевины одномодового ОВ до 10 мкм, знаменатель – диаметр отражающей оболочки; 0,36/0,22: числитель – коэффициент затухания в дБ/км на λ=1310 нм, знаменатель – на 1550 нм; 3,5/18: числитель – дисперсия в пс/нм·км на λ=1310 нм, знаменатель – на 1550 нм; 2,7 – статическая растягивающая нагрузка в кН.

2.Оптический кабель линейный для прокладки в телефонной канализации – ОКЛСт-01-8- 64-10/125- 0,36/0,22-2,7.

Ст – стальная гофрированная оболочка с водоблокирующей лентой под ней; остальные обозначения, такие же как и в первом кабеле.

3.Оптический кабель линейный для прокладки непосредственно в грунт – ОКЛК- 01(02)-8-96-10/125- 0,36/0,22-3,5/18-20.

Последняя буква в аббревиатуре К – броня из круглых стальных оцинкованных проволок; (02) – центральный силовой элемент из стального тросика, покрытого полимерной оболочкой; остальные обозначения такие же, как и в предыдущих кабелях.

4.Оптический кабель диэлектрический самонесущий для подвески на опорах контактной сети железных дорог и городского электрохозяйства – ОКЛЖ-01-6-24- 10/125- 0,36/0,22-3,5/18-10.

Буква Ж – кабель для подвески на железных дорогах, остальные обозначения такие же, как и в предыдущих кабелях.

5.Оптический кабель, встроенный в грозозащитный трос ЛЭП напряжением 35 кВ и выше – ОКГТ-МТ-36- 10/125-0,36/0,22-45.

ГТ – кабель, встроенный в грозотрос; МТ – одномодульный оптический сердечник трубчатого типа MaxiTube, расположенный в центре кабеля, в котором размещаются ОВ; остальные обозначения такие же, как и в предыдущих ОК.

6.Оптический кабель для внутриобъектной прокладки при повышенных требованиях пожарной безопасности – ОКЛ-Н-01-6-48-10/125-0,36/0,22.

Буква Н – наружная оболочка, выполненная из композиции полиэтилена, не поддерживающее горение; остальные обозначения такие же, как и в предыдущих ОК.

3.4 Конструкции оптических кабелей

9

На рисунке 5 представлены конструкции ОК с многомодульным оптическим сердечником производства ЗАО «СОКК», а на рисунке 6 – конструкции ОК с одномодульным оптическим сердечником производства ЗАО «ОКС-01». ОК с круглопроволочной броней для прокладки в грунт выпускается многими кабельными заводами России.

Рисунок 5 - Конструкции ОК с многомодульным оптическим сердечником и круглопроволочной броней производства ЗАО «СОКК» марки ОКЛК

а) на 7, 10, 20 и 40 кН; б) на 80 кН 1 – оптические волокна; 2 – ЦСЭ; 3 – кордель заполнения; 4 – поясная изоляция из

лавсановой ленты; 5 – гидрофобный компаунд; 6 – внутренняя полиэтиленовая оболочка; 7 – броня из круглых оцинкованных проволок (а - в один слой; б - в два слоя);

8 – наружная полиэтиленовая оболочка

10