Волоконно -оптический кабель , также известный как оптоволоконный кабель , представляет собой сборку, похожую на электрический кабель , но содержащую одно или несколько оптических волокон , которые используются для передачи света. Оптоволоконные элементы обычно индивидуально покрыты пластиковыми слоями и заключены в защитную трубку, подходящую для среды, в которой используется кабель. Различные типы кабелей [1] используются для волоконно-оптической связи в различных приложениях, например, для дальней связи или для обеспечения высокоскоростного соединения данных между различными частями здания.
Оптическое волокно состоит из сердцевины и оболочки , выбранной для полного внутреннего отражения из-за разницы в показателе преломления между ними. В практических волокнах оболочка обычно покрыта слоем акрилатного полимера или полиимида . Это покрытие защищает волокно от повреждений, но не влияет на его оптические волноводные свойства. Затем отдельные покрытые волокна (или волокна, сформированные в ленты или пучки) имеют прочный буферный слой смолы или сердцевинную трубку(ы), экструдированную вокруг них, чтобы сформировать сердечник кабеля. Несколько слоев защитной оболочки, в зависимости от применения, добавляются для формирования кабеля. Жесткие волоконные сборки иногда помещают светопоглощающее («темное») стекло между волокнами, чтобы предотвратить попадание света, который просачивается из одного волокна, в другое. Это уменьшает перекрестные помехи между волокнами или уменьшает блики в приложениях визуализации пучков волокон. [2]
Для применения внутри помещений волокно в оболочке обычно помещается вместе с пучком гибких волокнистых полимерных прочностных элементов, таких как арамид (например, Twaron или Kevlar ), в легкую пластиковую оболочку, образуя простой кабель. Каждый конец кабеля может быть завершен специальным оптоволоконным разъемом, что позволяет легко подключать и отключать его от передающего и принимающего оборудования.
Для использования в более напряженных условиях требуется гораздо более прочная конструкция кабеля. В конструкции со свободной трубкой волокно укладывается спирально в полужесткие трубки, что позволяет кабелю растягиваться, не растягивая само волокно. Это защищает волокно от натяжения во время укладки и из-за перепадов температур. Волокно со свободной трубкой может быть «сухим блоком» или заполнено гелем. Сухой блок обеспечивает меньшую защиту волокон, чем заполненное гелем, но стоит значительно дешевле. Вместо свободной трубки волокно может быть встроено в тяжелую полимерную оболочку, обычно называемую конструкцией «плотного буфера». Кабели с плотным буфером предлагаются для различных применений, но два наиболее распространенных — « разрывной » и «распределительный». Кабели разрывного типа обычно содержат рипкорд, два непроводящих диэлектрических усиливающих элемента (обычно стеклянный стержень эпоксидной смолы), арамидную пряжу и 3-миллиметровую буферную трубку с дополнительным слоем кевлара, окружающим каждое волокно. Рипкорд — это параллельный шнур из прочной пряжи, который находится под оболочкой(ями) кабеля для снятия оболочки. [3] Распределительные кабели имеют общую оболочку из кевлара, рипкорд и 900-микрометровое буферное покрытие, окружающее каждое волокно. Эти волоконные блоки обычно связываются с дополнительными стальными силовыми элементами, опять же со спиральной скруткой для обеспечения растяжения.
Критической проблемой при наружной прокладке кабелей является защита волокна от повреждения водой. Это достигается использованием твердых барьеров, таких как медные трубки, и водоотталкивающего желе или водопоглощающего порошка, окружающего волокно.
Наконец, кабель может быть бронированным для защиты от опасностей окружающей среды, таких как строительные работы или грызущие животные. Подводные кабели более прочно бронированы в своих прибрежных частях для защиты от якорей лодок, рыболовных снастей и даже акул , которых может привлечь электроэнергия, передаваемая на усилители мощности или ретрансляторы в кабеле.
Современные кабели выпускаются в самых разных оболочках и бронях, предназначенных для таких применений, как прямая прокладка в траншеях, двойное использование в качестве линий электропередачи, прокладка в кабелепроводах, крепление к воздушным телефонным столбам, прокладка под водой и прокладка по асфальтированным улицам.
В сентябре 2012 года компания NTT Japan продемонстрировала одноволоконный кабель, способный передавать 1 петабит в секунду ( 10 15 бит/с ) на расстояние 50 километров. [4]
Хотя доступны кабели большего размера, [5] наиболее распространенный одномодовый волоконный кабель с наибольшим количеством жил — это 864, состоящий из 36 лент, каждая из которых содержит 24 жилы волокна. [6] Эти кабели с большим количеством волокон используются в центрах обработки данных , [7] а также в качестве распределительных кабелей в сетях HFC и PON . [8] [9] [10]
В некоторых случаях только небольшая часть волокон в кабеле может фактически использоваться. Компании могут сдавать в аренду или продавать неиспользуемое волокно другим поставщикам, которые ищут обслуживание в или через область. В зависимости от конкретных местных правил компании могут перестраивать свои сети с конкретной целью иметь большую сеть темного волокна для продажи, снижая общую потребность в рытье траншей и муниципальных разрешениях. [ необходима цитата ] В качестве альтернативы они могут намеренно недоинвестировать, чтобы помешать своим конкурентам получить прибыль от их инвестиций. [ необходима цитата ]
Оптические волокна очень прочны, но прочность резко снижается из-за неизбежных микроскопических поверхностных дефектов, присущих процессу производства. Первоначальная прочность волокна, а также ее изменение со временем, должны рассматриваться относительно напряжения, оказываемого на волокно во время обработки, прокладки кабеля и установки для заданного набора условий окружающей среды. Существует три основных сценария, которые могут привести к снижению прочности и отказу, вызывая рост дефектов: динамическая усталость, статическая усталость и старение при нулевом напряжении.
Telcordia GR-20, Общие требования к оптическому волокну и оптоволоконному кабелю , содержит критерии надежности и качества для защиты оптического волокна во всех условиях эксплуатации. [11] Критерии сосредоточены на условиях внешней среды установки (OSP). Для внутренней установки аналогичные критерии есть в Telcordia GR-409, Общие требования к внутреннему оптоволоконному кабелю . [12]
Материал оболочки зависит от области применения. Материал определяет механическую прочность, химическую и ультрафиолетовую стойкость и т. д. Некоторые распространенные материалы оболочки: LSZH , поливинилхлорид , полиэтилен , полиуретан , полибутилентерефталат и полиамид .
Существует два основных типа материалов, используемых для оптических волокон: стекло и пластик. Они предлагают совершенно разные характеристики и находят применение в самых разных приложениях. Как правило, пластиковое волокно используется для очень коротких и потребительских приложений, тогда как стеклянное волокно используется для коротких/средних ( многомодовых ) и дальних ( одномодовых ) телекоммуникаций. [13]
Буфер или оболочка на коммутационных шнурах часто имеют цветовую кодировку, указывающую на тип используемого волокна. «Чехол» для снятия натяжения, который защищает волокно от изгиба в разъеме, имеет цветовую кодировку, указывающую на тип соединения. Соединители с пластиковой оболочкой (например, разъемы SC ) обычно используют цветную оболочку. Стандартные цветовые кодировки для оболочек (или буферов) и чехлов (или оболочек разъемов) показаны ниже:
Примечание: Также возможно, что небольшая часть разъема дополнительно имеет цветовую кодировку, например, рычаг разъема E-2000 или рамка оптоволоконного адаптера . Эта дополнительная цветовая кодировка указывает правильный порт для патч-корда, если в одной точке установлено несколько патч-кордов.
Отдельные волокна в многоволоконном кабеле часто отличаются друг от друга цветными оболочками или буферами на каждом волокне. Схема идентификации, используемая Corning Cable Systems, основана на EIA/TIA-598, «Цветовое кодирование оптоволоконного кабеля», который определяет схемы идентификации для волокон, буферизованных волокон, волоконных блоков и групп волоконных блоков в оптоволоконных кабелях за пределами завода и помещений. Этот стандарт позволяет идентифицировать волоконные блоки с помощью печатной легенды. Этот метод может использоваться для идентификации волоконных лент и волоконных субъединиц. Легенда будет содержать соответствующий напечатанный числовой номер позиции или цвет для использования при идентификации. [17]
Использованный выше цветовой код напоминает медные кабели PE, используемые в стандартной телефонной проводке.
В Великобритании используется другой цветовой код. Каждый 12-волоконный жгут или элемент в кабеле Cable Optical Fibre 200/201 окрашен следующим образом:
Каждый элемент находится в трубке внутри кабеля (не в трубке из выдувного волокна). Элементы кабеля начинаются с красной трубки и отсчитываются вокруг кабеля до зеленой трубки. Активные элементы находятся в белых трубках, а желтые наполнители или заглушки уложены в кабель, чтобы заполнить его в зависимости от того, сколько волокон и блоков существует — может быть до 276 волокон или 23 элементов для внешнего кабеля и 144 волокон или 12 элементов для внутреннего. Кабель имеет центральный силовой элемент, обычно изготовленный из стекловолокна или пластика. Во внешних кабелях также есть медный проводник.
Оптические кабели передают данные со скоростью света в стекле. Это скорость света в вакууме, деленная на показатель преломления используемого стекла, обычно около 180 000–200 000 км/с, что приводит к задержке от 5,0 до 5,5 микросекунд на км. Таким образом, время задержки в оба конца для 1000 км составляет около 11 миллисекунд. [18]
Потеря сигнала в оптоволокне измеряется в децибелах (дБ). Потеря в 3 дБ по линии означает, что свет на дальнем конце составляет только половину интенсивности света, отправленного в волокно. Потеря в 6 дБ означает, что только четверть света прошла через волокно. Как только потеряно слишком много света, сигнал становится слишком слабым для восстановления, и линия становится ненадежной и в конечном итоге полностью перестает функционировать. Точная точка, в которой это происходит, зависит от мощности передатчика и чувствительности приемника.
Типичные современные многомодовые волокна с градиентным показателем преломления имеют затухание (потерю сигнала) 3 дБ на километр на длине волны 850 нм и 1 дБ/км на 1300 нм. Одномодовое волокно теряет 0,35 дБ/км на 1310 нм и 0,25 дБ/км на 1550 нм. Одномодовое волокно очень высокого качества, предназначенное для дальних расстояний, имеет потери 0,19 дБ/км на 1550 нм. [19] Пластиковое оптическое волокно (POF) теряет гораздо больше: 1 дБ/м на 650 нм. POF — это волокно с большой сердцевиной (около 1 мм), подходящее только для коротких, низкоскоростных сетей, таких как оптический аудиосигнал TOSLINK или для использования в автомобилях. [20]
Каждое соединение между кабелями добавляет около 0,6 дБ средних потерь, а каждое соединение (сращивание) добавляет около 0,1 дБ. [21] Многие соединения волоконно-оптических кабелей имеют «бюджет потерь», который представляет собой максимально допустимую величину потерь. [22]
Невидимый инфракрасный свет (750 нм и больше) используется в коммерческих стекловолоконных коммуникациях, поскольку он имеет меньшее затухание в таких материалах, чем видимый свет. Однако стеклянные волокна будут немного пропускать видимый свет, что удобно для простого тестирования волокон без необходимости использования дорогостоящего оборудования. Сращивания можно осмотреть визуально и отрегулировать для минимальной утечки света в стыке, что максимизирует передачу света между концами соединяемых волокон.
Диаграммы «Понимание длин волн в волоконной оптике» [23] и «Потери оптической мощности (затухание) в волокне» [24] иллюстрируют связь видимого света с используемыми инфракрасными частотами и показывают полосы поглощения воды между 850, 1300 и 1550 нм.
Инфракрасный свет, используемый в телекоммуникациях, не виден, поэтому существует потенциальная опасность лазерной безопасности для техников. Естественная защита глаз от внезапного воздействия яркого света — это рефлекс моргания , который не вызывается инфракрасными источниками. [25] В некоторых случаях уровни мощности достаточно высоки, чтобы повредить глаза, особенно когда линзы или микроскопы используются для проверки волокон, излучающих невидимый инфракрасный свет. Для защиты от этого доступны инспекционные микроскопы с оптическими защитными фильтрами. В последнее время используются непрямые средства просмотра, которые могут включать камеру, установленную в портативном устройстве, которое имеет отверстие для подключенного волокна и выход USB для подключения к устройству отображения, такому как ноутбук. Это делает деятельность по поиску повреждений или грязи на поверхности разъема намного безопаснее.
Мелкие осколки стекла также могут стать проблемой, если попадут под кожу, поэтому необходимо соблюдать осторожность и обеспечить надлежащий сбор и утилизацию осколков, образующихся при расщеплении волокна.
Существуют гибридные оптические и электрические кабели, которые используются в беспроводных наружных приложениях Fiber To The Antenna (FTTA). В этих кабелях оптические волокна переносят информацию, а электрические проводники используются для передачи энергии. Эти кабели могут быть размещены в различных средах для обслуживания антенн, установленных на столбах, башнях и других конструкциях.
Согласно Telcordia GR-3173, Общие требования к гибридным оптическим и электрическим кабелям для использования в беспроводных наружных приложениях Fiber To The Antenna (FTTA), эти гибридные кабели имеют оптические волокна, витые пары/четверки, коаксиальные кабели или токопроводящие электрические проводники под общей внешней оболочкой. Силовые проводники, используемые в этих гибридных кабелях, предназначены для непосредственного питания антенны или для питания установленной на вышке электроники, обслуживающей исключительно антенну. Они имеют номинальное напряжение, как правило, менее 60 В постоянного тока или 108/120 В переменного тока. [26] Другие напряжения могут присутствовать в зависимости от применения и соответствующего Национального электротехнического кодекса (NEC).
Эти типы гибридных кабелей также могут быть полезны в других средах, таких как установки распределенной антенной системы (DAS), где они будут обслуживать антенны в помещениях, на открытом воздухе и на крышах. Такие соображения, как огнестойкость, списки Национально признанной испытательной лаборатории (NRTL), размещение в вертикальных шахтах и другие вопросы, связанные с производительностью, должны быть полностью учтены для этих сред.
Поскольку уровни напряжения и мощности, используемые в этих гибридных кабелях, различаются, правила электробезопасности рассматривают гибридный кабель как силовой кабель, который должен соответствовать правилам по зазорам, разделению и т. д.
Внутренние каналы устанавливаются в существующих подземных системах кабелепроводов для обеспечения чистых, непрерывных, низкофрикционных путей для размещения оптических кабелей, которые имеют относительно низкие пределы натяжения. Они обеспечивают средство для разделения обычного кабелепровода , который изначально был разработан для одиночных кабелей с металлическим проводником большого диаметра, на несколько каналов для оптических кабелей меньшего размера.
Внутренние каналы обычно представляют собой полугибкие субдукты небольшого диаметра. Согласно Telcordia GR-356, существует три основных типа внутренних каналов: гладкие стенки, гофрированные и ребристые. [27] Эти различные конструкции основаны на профиле внутреннего и внешнего диаметров внутреннего канала. Необходимость в определенной характеристике или комбинации характеристик, таких как прочность на растяжение, гибкость или наименьший коэффициент трения, диктует тип требуемого внутреннего канала.
Помимо основных профилей или контуров (гладкостенные, гофрированные или ребристые), внутренний канал также доступен в растущем разнообразии конструкций многоканальных каналов. Многоканальный канал может быть либо составным блоком, состоящим из четырех или шести отдельных внутренних каналов, которые удерживаются вместе некоторыми механическими средствами, либо единым экструдированным изделием с несколькими каналами, через которые можно протянуть несколько кабелей. В любом случае многоканальный канал можно свернуть в бухту, и его можно протянуть в существующий канал таким же образом, как и обычный внутренний канал.
Внутренние каналы в основном устанавливаются в подземных системах каналов, которые обеспечивают соединительные пути между расположениями люков . В дополнение к размещению в канале, внутренний канал может быть непосредственно закопан или установлен на воздухе путем привязывания внутреннего канала к стальной подвесной пряди.
Как указано в GR-356, кабель обычно помещается во внутренний канал одним из трех способов. Это может быть
