Волоконно -оптический кабель , также известный как оптоволоконный кабель , представляет собой сборку, аналогичную электрическому кабелю , но содержащую одно или несколько оптических волокон , которые используются для передачи света. Элементы оптоволокна обычно индивидуально покрыты пластиковыми слоями и помещены в защитную трубку, подходящую для среды, в которой используется кабель. Различные типы кабелей [1] используются для оптической связи в различных приложениях, например, для дальней связи или обеспечения высокоскоростной передачи данных между различными частями здания.
Оптическое волокно состоит из сердцевины и оболочки , выбранной для полного внутреннего отражения из-за разницы в показателях преломления между ними. В практических волокнах оболочка обычно покрыта слоем акрилатного полимера или полиимида . Это покрытие защищает волокно от повреждений, но не улучшает его оптические волноводные свойства. Отдельные волокна с покрытием (или волокна, сформированные в ленты или пучки) затем подвергаются экструзии вокруг них жесткого буферного слоя смолы или сердцевинной трубки для формирования сердцевины кабеля. Для формирования кабеля добавляется несколько слоев защитной оболочки, в зависимости от применения. В сборках жестких волокон между волокнами иногда помещают светопоглощающее («темное») стекло, чтобы предотвратить попадание света, просачивающегося из одного волокна, в другое. Это уменьшает перекрестные помехи между волокнами или уменьшает блики при визуализации пучков волокон. [2]
При использовании внутри помещений волокно с оболочкой обычно помещается вместе с пучком гибких волокнистых полимерных элементов , таких как арамид (например, тварон или кевлар ), в легкую пластиковую оболочку, образуя простой кабель. На каждом конце кабеля может быть установлен специальный оптоволоконный разъем , позволяющий легко подключать и отключать его от передающего и приемного оборудования.
Для использования в более жестких условиях требуется гораздо более прочная конструкция кабеля. В конструкции со свободной трубкой волокно уложено по спирали в полужесткие трубки, что позволяет кабелю растягиваться, не растягивая само волокно. Это защищает волокно от натяжения при укладке и из-за перепадов температуры. Волокно со свободной трубкой может быть «сухим блоком» или заполненным гелем. Сухой блок обеспечивает меньшую защиту волокон, чем гелевый, но стоит значительно дешевле. Вместо свободной трубки волокно может быть заключено в тяжелую полимерную оболочку, обычно называемую конструкцией «плотного буфера». Кабели с жестким буфером предлагаются для различных применений, но наиболее распространенными являются два « разрыва » и «распределения». Разрывные кабели обычно содержат рипкорд, два непроводящих диэлектрических усиливающих элемента (обычно эпоксидный стеклянный стержень), арамидную нить и буферную трубку диаметром 3 мм с дополнительным слоем кевлара, окружающим каждое волокно. Рипкорд представляет собой параллельный шнур из прочной пряжи, который расположен под оболочкой троса для снятия оболочки. [3] Распределительные кабели имеют общую кевларовую обертку, рипкорд и буферное покрытие толщиной 900 микрометров, окружающее каждое волокно. Эти волокна обычно связываются с дополнительными стальными прочными элементами, опять же со спиральной скруткой, позволяющей растягивать.
Критической задачей при прокладке наружных кабелей является защита волокна от повреждения водой. Это достигается за счет использования твердых барьеров, таких как медные трубки, а также водоотталкивающего желе или водопоглощающего порошка, окружающего волокно.
Наконец, кабель может быть бронирован, чтобы защитить его от опасностей окружающей среды, таких как строительные работы или грызущие животные. Подводные кабели более прочно бронированы в прибрежных частях, чтобы защитить их от якорей лодок, рыболовных снастей и даже акул , которых может привлечь электрическая энергия, передаваемая к усилителям мощности или повторителям по кабелю.
Современные кабели имеют широкий спектр оболочек и брони, предназначенных для таких применений, как прямое захоронение в траншеях, двойное использование в качестве линий электропередачи, прокладка в кабелепроводе, крепление к воздушным телефонным столбам, прокладка на подводной лодке и прокладка на мощеных улицах.
В сентябре 2012 года компания NTT Japan продемонстрировала одиночный оптоволоконный кабель, способный передавать 1 петабит в секунду ( 10 15 бит/с ) на расстояние 50 километров. [4]
Хотя доступны кабели большего размера, [5] обычно изготавливаемый одномодовый оптоволоконный кабель с наибольшим количеством жил - это кабель с сечением 864, состоящий из 36 лент, каждая из которых содержит 24 жилы волокна. [6]
В некоторых случаях фактически используется лишь небольшая часть волокон кабеля. Компании могут сдавать в аренду или продавать неиспользованное волокно другим поставщикам услуг, которым требуются услуги в данном районе или через него. В зависимости от конкретных местных правил компании могут перестраивать свои сети специально для продажи большой сети темного волокна , что снижает общую потребность в прокладке траншей и получении муниципальных разрешений. [ нужна цитата ] Альтернативно, они могут намеренно недоинвестировать, чтобы не дать своим конкурентам получить прибыль от своих инвестиций. [ нужна цитата ]
Оптические волокна очень прочные, но прочность резко снижается из-за неизбежных микроскопических дефектов поверхности, присущих производственному процессу. Первоначальную прочность волокна, а также ее изменение со временем необходимо учитывать в зависимости от напряжения, оказываемого на волокно во время манипуляций, прокладки кабеля и установки в заданном наборе условий окружающей среды. Существует три основных сценария, которые могут привести к снижению прочности и разрушению, вызывая рост дефектов: динамическая усталость, статическая усталость и старение без напряжения.
Telcordia GR-20, Общие требования к оптическому волокну и волоконно-оптическим кабелям , содержит критерии надежности и качества для защиты оптического волокна во всех условиях эксплуатации. [7] Критерии сосредоточены на условиях внешней среды предприятия (OSP). Для внутренней установки аналогичные критерии приведены в Telcordia GR-409, «Общие требования к внутреннему оптоволоконному кабелю» . [8]
Материал оболочки зависит от области применения. От материала зависит механическая прочность, стойкость к химическому и УФ-излучению и т. д. Некоторые распространенные материалы оболочки: LSZH , поливинилхлорид , полиэтилен , полиуретан , полибутилентерефталат и полиамид .
Для изготовления оптических волокон используются два основных типа материала: стекло и пластик. Они обладают совершенно разными характеристиками и находят применение в самых разных приложениях. Как правило, пластиковое волокно используется для очень ближнего и потребительского применения, тогда как стекловолокно используется для телекоммуникаций ближнего/среднего радиуса действия ( многомодовые ) и дальнего радиуса действия ( одномодовые ). [9]
Буфер или оболочка патч-кордов часто имеет цветовую маркировку, указывающую тип используемого волокна. «Чашок» для разгрузки от натяжения, защищающий волокно от изгиба в разъеме, имеет цветовую маркировку, указывающую тип соединения. Разъемы с пластиковым корпусом (например, разъемы SC ) обычно имеют корпус с цветовой маркировкой. Стандартные цветовые кодировки оболочек (или буферов) и чехлов (или корпусов разъемов) показаны ниже:
Примечание: Также возможно, что небольшая часть разъема имеет дополнительную цветовую маркировку, 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 оболочками или буферами с цветовой маркировкой на каждом волокне. Схема идентификации, используемая Corning Cable Systems , основана на EIA/TIA-598, «Цветовое кодирование оптоволоконных кабелей», который определяет схемы идентификации для волокон, буферных волокон, волоконных блоков и групп волоконных блоков внутри оптоволоконных кабелей за пределами предприятия и в помещениях. . Этот стандарт позволяет идентифицировать волокна с помощью напечатанной легенды. Этот метод можно использовать для идентификации волоконных лент и субъединиц волокон. Легенда будет содержать соответствующий напечатанный цифровой номер позиции или цвет для использования в идентификации. [13]
Цветовой код, использованный выше, напоминает медные кабели PE, используемые в стандартной телефонной проводке.
В Великобритании используется другой цветовой код. Каждый пучок или элемент из 12 волокон в кабеле Cable Optical Fiber 200/201 окрашен следующим образом:
Каждый элемент находится в трубке внутри кабеля (а не в выдувной оптоволоконной трубке). Элементы кабеля начинаются с красной трубки и отсчитываются от кабеля до зеленой трубки. Активные элементы находятся в трубках белого цвета, а для заполнения кабеля в него прокладываются желтые наполнители или заглушки в зависимости от количества имеющихся волокон и модулей – 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 имеется медная жила.
Оптические кабели передают данные со скоростью света в стекле. Это скорость света в вакууме, деленная на показатель преломления используемого стекла, обычно от 180 000 до 200 000 км/с, что дает задержку от 5,0 до 5,5 микросекунд на километр. Таким образом, время задержки туда и обратно на 1000 км составляет около 11 миллисекунд. [14]
Потери сигнала в оптоволокне измеряются в децибелах (дБ). Потеря 3 дБ в канале означает, что интенсивность света на дальнем конце составляет лишь половину интенсивности света, посланного в волокно. Потеря в 6 дБ означает, что через оптоволокно прошла только четверть света. Если потеряно слишком много света, сигнал становится слишком слабым для восстановления, и связь становится ненадежной и в конечном итоге полностью перестает функционировать. Точная точка, в которой это произойдет, зависит от мощности передатчика и чувствительности приемника.
Типичные современные многомодовые градиентные волокна имеют затухание (потерю сигнала) 3 дБ на километр на длине волны 850 нм и 1 дБ/км на длине волны 1300 нм. Одномодовый режим теряет 0,35 дБ/км на длине волны 1310 нм и 0,25 дБ/км на длине волны 1550 нм. Одномодовое волокно очень высокого качества, предназначенное для применения на больших расстояниях, имеет потери 0,19 дБ/км на длине волны 1550 нм. [15] Пластиковое оптическое волокно (POF) теряет гораздо больше: 1 дБ/м на длине волны 650 нм. POF — это волокно с большой сердцевиной (около 1 мм), подходящее только для коротких низкоскоростных сетей, таких как оптическая аудиосистема TOSLINK , или для использования в автомобилях. [16]
Каждое соединение между кабелями добавляет около 0,6 дБ средних потерь, а каждое соединение (сращивание) добавляет около 0,1 дБ. [17]
Невидимый инфракрасный свет (750 нм и более) используется в коммерческих системах связи по стекловолокну, поскольку в таких материалах он имеет меньшее затухание, чем видимый свет. Однако стекловолокна в некоторой степени пропускают видимый свет, что удобно для простого тестирования волокон без необходимости дорогостоящего оборудования. Сростки можно осмотреть визуально и отрегулировать на предмет минимальной утечки света в месте соединения, что максимизирует передачу света между концами соединяемых волокон.
Диаграммы «Понимание длин волн в волоконной оптике» [18] и «Потери оптической мощности (затухание) в оптоволокне» [19] иллюстрируют взаимосвязь видимого света с используемыми инфракрасными частотами и показывают полосы поглощения воды между 850, 1300 и 1550 нм.
Инфракрасный свет, используемый в телекоммуникациях, невидим, поэтому существует потенциальная угроза лазерной безопасности для технических специалистов. Естественная защита глаз от внезапного воздействия яркого света — это моргательный рефлекс , который не запускается источниками инфракрасного излучения. [20] В некоторых случаях уровни мощности достаточно высоки, чтобы повредить глаза, особенно когда для проверки волокон, излучающих невидимый инфракрасный свет, используются линзы или микроскопы. Для защиты от этого доступны инспекционные микроскопы с оптическими защитными фильтрами. В последнее время используются средства непрямого наблюдения, которые могут включать камеру, установленную внутри портативного устройства, которое имеет отверстие для подключенного волокна и выход USB для подключения к устройству отображения, например ноутбуку. Это делает поиск повреждений или загрязнений на лицевой стороне разъема более безопасным.
Небольшие осколки стекла также могут стать проблемой, если они попадут кому-то под кожу, поэтому необходимо позаботиться о том, чтобы фрагменты, образующиеся при расщеплении волокна, были правильно собраны и утилизированы соответствующим образом.
Существуют гибридные оптические и электрические кабели, которые используются в беспроводных наружных приложениях «волокно к антенне» (FTTA). В этих кабелях оптические волокна передают информацию, а электрические проводники используются для передачи энергии. Эти кабели можно размещать в различных средах для обслуживания антенн, установленных на опорах, башнях и других конструкциях.
В соответствии с Telcordia GR-3173, «Общие требования к гибридным оптическим и электрическим кабелям для использования в беспроводных наружных оптоволоконных системах (FTTA)», эти гибридные кабели содержат оптические волокна, витые пары/четверенные элементы, коаксиальные кабели или токоведущие электрические проводники. под общей внешней оболочкой. Силовые проводники, используемые в этих гибридных кабелях, предназначены для непосредственного питания антенны или для питания установленной на мачте электроники, обслуживающей исключительно антенну. Их номинальное напряжение обычно меньше 60 В постоянного тока или 108/120 В переменного тока. [21] В зависимости от применения и соответствующих национальных электротехнических правил (NEC) могут присутствовать другие напряжения.
Эти типы гибридных кабелей также могут быть полезны в других средах, таких как установки распределенных антенных систем (DAS), где они будут обслуживать антенны в помещениях, на открытом воздухе и на крышах. Для таких сред необходимо полностью учитывать такие факторы, как огнестойкость, внесение в национально признанную испытательную лабораторию (NRTL), размещение в вертикальных шахтах и другие вопросы, связанные с производительностью.
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 существующие подземные системы трубопроводов, чтобы обеспечить чистые, непрерывные пути с низким коэффициентом трения для прокладки оптических кабелей, которые имеют относительно низкие пределы натяжения. Они обеспечивают средства разделения обычного кабелепровода , который изначально был разработан для одиночных металлических кабелей большого диаметра, на несколько каналов для оптических кабелей меньшего размера.
Внутренние воздуховоды обычно представляют собой полугибкие субдукты небольшого диаметра. Согласно Telcordia GR-356, существует три основных типа внутреннего канала: гладкостенный, гофрированный и ребристый. [22] Эти различные конструкции основаны на профиле внутреннего и наружного диаметров внутреннего канала. Необходимость конкретной характеристики или комбинации характеристик, таких как прочность на растяжение, гибкость или самый низкий коэффициент трения, определяет тип требуемого внутреннего трубопровода.
Помимо базовых профилей или контуров (гладких, гофрированных или ребристых), внутренние воздуховоды также доступны во все большем разнообразии многоканальных конструкций. Мультиканал может представлять собой либо составной блок, состоящий из четырех или шести отдельных внутренних воздуховодов, скрепленных вместе какими-либо механическими средствами, либо единый экструдированный продукт, имеющий несколько каналов, через которые можно протянуть несколько кабелей. В любом случае многоканальный трубопровод является свертываемым и может быть протянут в существующий трубопровод аналогично тому, как это делается в обычном внутреннем трубопроводе.
Внутренние каналы в основном устанавливаются в подземных системах трубопроводов, которые обеспечивают соединительные пути между местами колодцев . Помимо размещения в кабелепроводе, внутренний воздуховод можно заглубить непосредственно в землю или установить с помощью воздуха, привязав внутренний воздуховод к стальной подвесной пряди.
Как указано в GR-356, кабель обычно помещается во внутренний канал одним из трех способов. Это может быть
