Глава 1 Оптические кабели

1.1. Классификация оптических кабелей

По назначению оптические кабели (ОК) в отличие от электрических кабелей достаточно классифицировать на две основные группы:

• линейные — для прокладки вне зданий (для наружной прокладки и эксплуатации),

• внутриобъектовые — для прокладки внутри зданий (для внутренней прокладки и экс­плуатации).

Нет необходимости классифицировать линейные ОК на магистральные, зоновые, город­ские и сельские, т.е. по принципу их принадлежности к магистральной, зоновым или мест­ным сетям связи. Современные одномодовые оптические волокна (ОВ), выполняющие в ОК роль среды передачи, имеют малое затухание, слабую его частотную зависимость и не явля­ются ограничивающим фактором применения линейных ОК на сетях связи (магистральной, зоновых или местных).

Определяющим фактором применения линейных ОК на сетях связи являются условия их прокладки и эксплуатации. Оптические кабели позволяют создавать сети во всех средах: на суше, в воде и воздухе. С учетом этого линейные ОК можно классифицировать на три группы:

• подземные,

• подвесные,

• подводные.

Внутриобъектовые ОК по условиям применения можно классифицировать на две группы:

• распределительные,

• станционные (монтажные).

Условия прокладки и эксплуатации ОК в одной и той же среде далеко не одинаковы, поэтому целесообразно классифицировать ОК и по вариантам их применения.

Классификация оптических кабелей по назначению, условиям и вариантам применения представлена на рис. 1.1.

Предложенная классификация ОК исходит из требований нормативно-технического документа Минсвязи России [1.1], определяющего технические требования к ОК с учетом их назначения, условий и вариантов применения на Взаимоувязанной сети связи (ВСС) России.

Рис. 1.1. Классификация оптических кабелей

1.2. Основные конструктивные элементы ок

В оптических кабелях, представляющих собой сложную оптико-физическую систему, в качестве направляющей среды передачи применяется кварцевое оптическое волокно (ОВ). Специфичность оптического волокна заключается не только в особенностях рас­пространения по нему информационных сигналов, но и в конструкции самого ОВ, кри­тичности ОВ к механическим нагрузкам (усилиям растяжения и сдавливания, изгибам, кручению и ударам), чувствительности ОВ к таким факторам, как перепады температур, химическое воздействие, влияние влаги и водорода. Параметры эластичности и механиз­мы отказа у ОВ другие, чем у медных жил электрических кабелей.

Основные воздействующие факторы, которым должны противостоять оптические кабе­ли различного назначения и для различных условий прокладки, приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Основные факторы, воздействующие на оптический кабель

Условия применения	Механические факторы	Климатические факторы	Электромагнитные факторы
Подземные	Растягивающие и раздавливающие нагрузки: средние — в легких грунтах, в тоннелях, коллекторах; значительные — в остальных грунтах; очень значительные — в вечномерзлых грунтах; меньше средних — в кабель­ной канализации. Изгибы, кручения, удары, виб­рация. Воздействие грызунов	Циклическая смена температур в диапазоне рабочих температур. Повышенная относительная влажность. Пониженное атмосфер­ное давление. Плесневые грибы. Влага и вода. Химическое воздействие	Импульсный ток молнии. Индуктированное напряжение от источников высокого напряжения
Подвесные	Растягивающие и раздавливающие нагрузки: средние — при подвеске на опорах ВЛС, эл.ж.д. и низ­ковольтных ЛЭП; значительные — при подвеске на опорах высоко­вольтных ЛЭП. Вибрация. Пляска проводов. Ветер	Циклическая смена температур в более значительном диапазоне рабо­чих температур. Атмосферные осадки (дождь, снег, иней). Воздействие прямого солнечного излучения. Соляной туман. Химическое воздействие	Импульсный ток молнии. Термическое воздейст­вие тока молнии
Подводные	Растягивающие и раздавливающие нагрузки — очень значительные. Высокое избыточное гидростатическое давление	Прямое длительное воздействие воды. Циклическая смена тем­ператур в диапазоне рабо­чих температур (мень­шем, чем для подземных)	-
Распределительные и станционные	Растягивающие и раздавливающие нагрузки: близкие к средним для распределительных; очень незначительные для станционных. Изгибы и удары	Прямое воздействие огня при пожарах. Циклическая смена температур в диапазоне ра­бочих температур (мень­шем, чем для подзем­ных)	-

По существу, приведенные в табл. 1.1 воздействующие факторы и определяют особен­ности конструкций ОК различного назначения и использование в них конструктивных эле­ментов, обеспечивающих прокладку и эксплуатацию ОК в заданных интервалах воздейст­вия внешних факторов.

Основные конструктивные элементы ОК:

• оптическое волокно;

• оптические модули;

• оптические сердечники; силовые элементы;

• гидрофобные материалы;

• броня;

• оболочка.

Отдельные элементы могут отсутствовать исходя из назначения и условий применения ОК.

Оптическое волокно (ОВ) — это основной конструктивный элемент ОК, выполняющий роль направляющей среды передачи. Типы и технические параметры ОВ приведены в гл. 2.

Оптический модуль (ОМ) — самостоятельный конструктивный элемент оптического кабеля, 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.

В трубчатом ОМ оптические волокна могут свободно укладываться либо без скрутки (рис. 1.2,а), либо путём скрутки вокруг центрального силового элемента (рис. 1.2,б), либо размещаться в плотном буферном покрытии (рис. 1.2,в).

Плотный буферный слой увеличивает сопротивляемость ОВ к сжатию и изгибам.

В профилированном 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. 1.2, г).

а) б) в) г)

Рис. 1.2. Примеры конструкций оптических модулей: а), б) и в) - трубчатых; г) - профилированного: 1 — трубка; 2 — воздух или гидрофобный компаунд; 3 — ОВ в защитном покры­тии; 4 — ЦСЭ; 5 — лента; 6 — стержень профилированного типа со спиралеоб­разными V-образными пазами, 7 — плотный буферный слой

В ленточном 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. 1.3, а), или адгезивного слоя и наложенных по­верх синтетических лент (рис. 1.3, б).

Из оптических модулей ленточного типа может создаваться матрица (единичный блок) с определенным числом ОВ, который затем размещается либо в полимерной трубке, либо в пазах спиралеобразного профилированного элемента (стержня).

Оптический сердечник ОК формируется либо из одного ОМ, расположенного, как пра­вило, в центре, либо из нескольких ОМ или пучков ОМ, скрученных вокруг центрального силового элемента (ЦСЭ). В первом случае оптический сердечник следует рассматривать как одномодульную конструкцию, во втором — многомодульную.

Рис. 1.3. Примеры конструкций ленточного оптического модуля:

а) с полимерным защитным материалом;

б) с дополнительным защитным покрытием из адгезивного слоя и синтетических лент:

1 — ОВ в защитном покрытии; 2 — полимерный материал;

3 — адгезивный слой; 4 — синтетическая лента

Оптический сердечник повышает механическую прочность ОК, защищает ОВ от изги­бов и от нагрузок на растяжение и сдавливание, в пределах, не оказывающих влияния на пе­редаточные параметры. Центральный силовой элемент выполняет основную функциональ­ную нагрузку.

Оптические сердечники могут содержать дополнительные элементы: элементы заполне­ния, не содержащие ОВ (кордели), медные жилы, пары или четверки из медных жил. Обыч­но повив оптического сердечника из элементов скрепляется нитями или скрепляющей лен­той. Конструкция оптического сердечника (ёмкость, тип ОМ и его место в сердечнике, мед­ные жилы, пары и четверки из медных жил, элементы заполнения) определяется функцио­нальным назначением и условиями применения ОК.

Примеры конструкций оптических сердечников ОК, образованных из ОМ различного типа, для подвески или прокладки в грунте и внутри зданий приведены на рис. 1.4. Приме­ры конструкций оптических сердечников ОК для подводной (морской, океанской) проклад­ки приведены на рис. 1.5.

Рис. 1.4. Примеры конструкций оптических сердечников подземных и подвесных ОК из ОМ различного типа: а) трубчатого, б) профилированного, в) ленточного: 1 — центральный силовой элемент; 2 — оптический модуль трубчатого типа; 3 — защит­ное покрытие (трубка, скрепляющие полимерные ленты и т.п.); 4 — полимерная трубка; 5 — оптические волокна в защитном покрытии; 6 — оптический модуль профилированно­го типа; 7 — стержень профилированного типа; 8 — единичный блок (матрица) из ленточ­ных ОМ; 9 — ленточный оптический модуль

Рис. 1.5. Примеры конструкций оптических сердечников подводных (морских, океанских) ОК:

а) фирмы Fujitsu; б) фирма Alcatel: 1 — центральный силовой элемент из омедненной стальной проволоки; 2 — оптические волокна; 3 — полимер, сшиваемый ультрафиолетовым облучением; 4 — стальная трубка (толщина стенки 0,2 мм, наружный диаметр 2,3 мм); 5 — тиксотропный заполнитель

Силовые элементы обеспечивают требуемую механическую прочность ОК и вели­чину деформации ОВ в заданных пределах. При выборе материалов для силовых эле­ментов учитывают следующие факторы: модуль Юнга, соотношение механической прочности и массы, стабильность параметров во времени и в пределах заданных изме­нений температур, стойкость к коррозии, возможность прокладки и монтажа, а также условия работы ОК.

В качестве материалов для силовых элементов могут применяться стальная, медная и алюминиевая проволоки, а также арамидные нити и стеклопластиковые стержни, парамет­ры которых приведены в табл. 1.2, где значение п коэффициента применимости материала для силового элемента [1.2] соответствует лучшим свойствам материала.

Таблица 1.2. Материалы силового элемента

Параметр	Единица измерения		Проволока		Арамидные нити	Стеклопласти­ковые стержни
		стальная	медная	алюминиевая
Модуль Юнга Е	кг/мм2	20000	12000	7000	13000	5000
Удельная плотность р	г/см2	7,8	8,9	2,7	1,4	2,0
Коэффициент приме­нимости п = при допустимой деформации ОВ (а = 0,002)		32	15	11	25	8,0

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

Гидрофобные материалы препятствуют проникновению влаги в ОК, увеличивая срок службы ОВ. Как правило, это специальный гидрофобный компаунд, водоблокирующая лен­та (разбухающая при попадании воды) или их комбинации. Свободное пространство в мо­дулях, пазах, а также между оптическими модулями и силовыми элементами заполняется гидрофобным компаундом.

Оболочки ОК защищают оптические сердечники ОК от внешних воздействий и механи­ческих повреждений. Тип оболочки выбирают с учетом механической стойкости (к изгибам, кручению, поперечному сжатию, продольному растяжению и др. ), стойкости к воздей­ствию окружающей среды (климатическим и химическим воздействиям, нераспростране­нию горения, выделению водорода и др.), физических характеристик материала (диаметр, масса и др.), а также удобства монтажа.

Сравнительные параметры ряда материалов [1.2], из которых могут изготавливаться оболочки ОК, приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3. Параметры материалов для оболочек ОК

Параметр	ПЭ низкой плотности	ПЭ высокой плотности	Алюмополиэтилен	ПВХ	Полиу­ретан	Полиа­мид	Свинец
Механические характеристики
Растяжение	с	с	х	с	с	х	х
Изгиб	х	х	х	х	х	х	с
Кручение	х	х	х	х	х	х	х
Радиальное сжатие	с	с	х	с	с	х	х
Трение	с	х	с/х	с	х	х	с
Климатические характеристики
Стойкость к климатическим воздействиям	х	х	х	х	х	х	х
Защита от проник­новения влаги	п	п	х	п	п	п	х
Стойкость к химическому воздействию	х	х	х	с	х	х	х
Стойкость к воздействию углеводорода	п	х	с/х	с	с	х	х
Физические характеристики
Теплостойкость	с	с	х	с	с	с	х
Малая масса	х	х	х	х	х	х	п
Нераспростране­ние горения	п	п	п	х	п	п	х
Примечание. х - хорошее, с - среднее, п - плохое, с/х - среднее/хорошее, в зависимости от наружной оболочки

Броня повышает механические свойства и улучшает защитные функции ОК. Наиболее часто она выполняется из круглых оцинкованных или из нержавеющей стали проволок в виде одного или нескольких повивов. Например, в ОК для прокладки через судоходные ре­ки, как правило, используется броня из двух повивов, то же для шельфовых и прибрежных морских ОК, но только из проволок большого диаметра с более высокой прочностью. При­меняется также броня из продольно наложенной стальной гофрированной ленты (для защи­ты от грызунов). В диэлектрических ОК броня может быть выполнена из арамидных нитей, стеклопластиковых стержней и др.