Волоконно-оптический кабель – что это и зачем он нужен? Оптоволокно: понятие, виды, назначение

04.08.2005 | admin

Если вы спросите у сетевого администратора, что он думает о волоконно–оптических кабелях и технологиях, то вы, скорее всего, услышите, что они очень дороги, сложны и требуют постоянного контроля и наблюдения.

Реально это выглядит совершенно по–другому: оптоволокно недорого, очень надежно и обеспечивает поистине огромные скорости передачи данных. Если вам приходилось работать с кабелем UTP Категории 5 или, по крайней мере, с коаксиальным кабелем, то вы без особого труда освоитесь с волоконной оптикой.

Такая область, как волоконно–оптические кабели и технологии, слишком обширна для одной статьи. Поэтому сосредоточим свое внимание исключительно на доводах в пользу применения оптоволокна в вашей сети. Затем мы коротко обоснуем пользу оптоволоконных решений и рассмотрим некоторые отличия стандартного оптоволокна от оптического волокна семейства GIGAlite II компании Nexans.

Почему оптоволокно?

Зачем вместо медного кабеля прокладывать оптоволокно? Оптический кабель может передавать данные с очень высокой скоростью. Пропускная способность такой оптической системы будет измеряться в Тбит/с.

Оптоволокно обладает отличными характеристиками передачи, большой емкостью передаваемых данных, потенциалом для дальнейшего увеличения пропускной способности и прекрасной электромагнитной совместимостью ЭМС.

Оптический световод состоит из сердечника и защитного внешнего слоя (оболочки). Оболочка служит в качестве отражающего слоя, с помощью которого световой сигнал удерживается внутри сердечника.

Оптический кабель может состоять только из одного оптического световода, но на практике он содержит множество оптических волокон. Волокна уложены в мягкий защитный материал (буфер), а он, в свою очередь, защищен жестким покрытием.

В большинстве оптических волокон диаметр оболочки составляет 125 мкм. Размер сердечника в распространенных типах оптических волокон составляет 50 мкм и 62,5 мкм для многомодового оптоволокна и 8 мкм для одномодового оптоволокна. Вобщем–то, световоды характеризуются соотношением размеров сердечника и оболочки, например 50/125, 62,5/125 или 8/125.

Сигналы оптического излучения передаются через оптоволокно и принимаются электронным оборудованием на другом конце кабеля. Такое оборудование называется оконечным оборудованием волоконно–оптической линии связи. Оно преобразует электрические сигналы в оптические, и наоборот.

Одно из преимуществ оптоволокна состоит в том, что пропускную способность сети на базе оптоволокна можно увеличить простой заменой оконечного оборудования на обоих концах волоконно–оптической линии связи.

Многомодовое или одномодовое?

Многомодовое и одномодовое оптоволокно отличаются способом распространения оптического излучения в волокне. Самое простое отличие заключается в размерах сердечника световода. Более конкретно, многомодовое волокно может передавать несколько мод (независимых световых путей) с различными длинами волн или фазами, однако больший диаметр сердечника приводит к тому, что вероятность отражения света от внешней поверхности сердечника повышается, а это приводит к модовой дисперсии (рассеиванию) и, как следствие, уменьшению пропускной способности и расстояния между повторителями сигнала.

Грубо говоря, пропускная способность многомодового оптоволокна составляет около 2,5 Гбит/с. Одномодовое оптоволокно передает световую энергию только одной моды. Однако меньший диаметр сердечника такого оптоволокна означает и меньшую модовую дисперсию. В результате сигнал может передаваться на большие расстояния без повторителей. Проблема заключается в том, что само одномодовое оптоволокно и электронные компоненты для передачи и приема оптического сигнала стоят дороже.

Одномодовое волокно имеет очень тонкий сердечник (диаметром 10 мкм и менее). Из–за малого диаметра сердечника световой пучок отражается от его поверхности реже, а это приводит к меньшей модовой дисперсии. Термин «одномодовый» означает, что такой тонкий сердечник может передавать только один световой несущий сигнал (или моду). Пропускная способность одномодового оптоволокна превышает 10 Гбит/с.

Физическая топология сети

Волоконно–оптическая кабельная проводка, как и проводка UTP, имеет физическую и логическую топологии. Физическая топология - это схема проводки оптического кабеля между зданиями и внутри каждого из них для создания основы гибкой логической топологии.

Одним из лучших, если не самым лучшим, источником практической информации по физической проводке кабелей является руководство BICSI Telecommunications Distribution Method (TDM) за 1995 год. TDM представляет основу для формирования топологии сети с проводкой из оптического кабеля в соответствии с принятыми стандартами.

TDM , американский стандарт на Телекоммуникационную проводку для коммерческих зданий (ANSI/TIA/EIA–568A) и международный стандарт на Универсальную кабельную систему для зданий и территорий заказчика ISO/IEC IS 11801 рекомендуют физическую топологию типа «звезда» для соединения между собой волоконно–оптических магистралей как внутри, так и вне зданий.

Физическая топология во многом определяется взаимным расположением и внутренней планировкой зданий, а также наличием готовой кабельной канализации. Несмотря на то что иерархическая звездообразная топология обеспечивает наибольшую гибкость, она может оказаться невыгодной по чисто финансовым соображениям. Но даже физическое кольцо лучше, чем полное отсутствие оптической кабельной магистрали.

Число используемых оптических волокон в кабеле

Число оптических световодов в кабеле определяет число оптоволокон. К сожалению, ни один опубликованный стандарт не определяет, сколько оптоволокон должно быть в кабеле.

Поэтому проектировщик должен сам решить, сколько оптоволокон будет в каждом кабеле. При выборе оптоволоконного кабеля помните, что производители оптического кабеля, как правило, изготовляют его с числом волокон кратным 6 или 12.

Общее правило таково: волокон в кабеле между зданиями должно быть столько, сколько позволяет ваш бюджет. Но, все же, каков практический минимум для числа оптических волокон?

Подсчитайте, сколько волокон вам нужно для начальной поддержки сетевых приложений, а затем умножьте это число на два, и вы получите необходимый минимум. Например, если вы собираетесь задействовать в кабеле между двумя зданиями 31 волокно, то надо округлить это число до ближайшего кратного шести (в большую сторону), что равняется 36. В нашей ситуации потребуется кабель, по крайней мере, с 72 волокнами.

Если вы привыкли к работе с кабелями UTP, то 72 волокна могут показаться вам слишком большим числом. Однако помните, что цена кабеля с 72 волокнами отнюдь не вдвое больше цены кабеля с 36 волокнами. В действительности, он стоит всего лишь на 20% дороже кабеля с 32 волокнами. Кроме того, помните, что затраты и сложность прокладки кабеля с 72 волокнами будут практически такими же, как и у кабеля с 36 волокнами, а дополнительные волокна могут вполне пригодиться вам в будущем.

Спецификация на оптоволокно

Спецификаций на оптоволокно существует сотни, они охватывают все возможные аспекты » от физических размеров до пропускной способности, от прочности на разрыв до цвета материала защитной оболочки. Защитная оболочка (буфер) предохраняет оптоволокно от повреждения, и она обычно маркируется разным цветом из соображений простоты.

Практические параметры, которые необходимо знать, - это длина, диаметр, окно прозрачности (длина волны), затухание, пропускная способность и качество оптоволокна.

В спецификациях на оптоволокно длина указывается в метрах и километрах. При получении заказанного оптического кабеля проверьте, чтобы поставляемый кабель имел требуемую длину. Кроме того, на случай, скажем, перестановки стойки с оборудованием в пределах комнаты приобретение дополнительной катушки кабеля для комнаты с оконечным оборудованием вполне оправдано.

Многомодовое оптоволокно может быть нескольких диаметров, но наиболее распространено из них оптоволокно с соотношением диаметров сердечника к оболочке 62,5 на 125 мкм. Именно это многомодовое оптоволокно будет использоваться во всех примерах данной статьи. Размер 65,2/125 называется в спецификации ANSI/TIA/EIA–568A стандартным для проводки в зданиях.

Одномодовое оптоволокно имеет один стандартный размер - 9 мкм (плюс–минус один мкм). Помните, если ваше оконечное оборудование волоконно–оптических линий связи предусматривает применение оптоволокна специального диаметра и вы собираетесь и дальше его использовать, то, скорее всего, оно не будет работать с оптоволокном обычного диаметра.

Окно прозрачности - это длина световой волны излучения, которую волокно передает с наименьшим затуханием. Длина волны измеряется обычно в нанометрах (нм). Самые распространенные значения длины волны - 850, 1300, 1310 и 1550 нм. Большинство волокон имеет два окна - т. е. оптическое излучение может передаваться на двух длинах волн. Для многомодовых оптических волокон это 850 и 1310 нм, а для одномодовых - 1310 и 1550 нм.

Затухание характеризует величину потерь сигнала и действует аналогично сопротивлению в медном кабеле. Затухание измеряется в децибелах на километр (дБ/км). Типовое затухание для одномодового волокна составляет 0,5 дБ/км при длине волны в 1310 нм и 0,4 дБ/км при 1550 нм. Для многомодового волокна эти величины равны 3,0 дБ/км при 850 нм и 1,5 дБ/км при 1300 нм. Благодаря тому, что оно тоньше, одномодовое волокно позволяет передавать сигнал с тем же затуханием на большие расстояния, чем аналогичное многомодовое волокно.

Спецификацию на кабели надо составлять, исходя из максимально допустимого затухания (т. е. наихудшего случая), а не типовой величины потерь.

Так, максимальная величина затухания при указанных длинах волн составляет для одномодового 1,0/0,75 дБ/км и 3,75/1,5 дБ/км для многомодового. Чем шире окно прозрачности, т. е. чем больше длина волны оптического излучения, тем меньше затухание для кабелей обоих типов.

Спецификация затухания может выглядеть, например, так:

1. максимальное затухание одномодового волокна должно быть 0,5 дБ/км при окне 1310 нм или максимальное затухание многомодового волокна должно быть 3,75/1,5 дБ/км для окна прозрачности 850/1300 нм;
2. скорость передачи данных, передаваемых по оптоволокну, прямо пропорциональна затуханию. Таким образом, чем меньше затухание (дБ/км), тем шире граничная частота полосы пропускания в МГц. Минимально допустимая граничная частота полосы пропускания для многомодового волокна должна быть 160/500 МГц при длине волны 850/1300 нм и максимальном затухании 3,75/1,5 дБ/км. Эта спецификация отвечает требованиям FDDI, Ethernet и Token Ring.

Волокно может быть трех различных типов в зависимости от необходимых характеристик оптической передачи: стандартное, высококачественное и премиумное. Волокно более высокого качества используется обычно для удовлетворения более жестких требований к протяженности канала в СКС и затуханию сигнала.

Способы ввода оптического излучения в оптоволокно

Ввод оптического излучения в оптоволокно может осуществляться различными способами.

Ввод излучения для одномодового оптоволокна осуществляется узким лучом точно вдоль оси сердечника оптоволокна. В качестве оптического источника излучения здесь применим только лазерный диод.

Для многомодовых волокон может использоваться и более дешевый светодиодный излучатель, имеющий более широкую диаграмму направленности излучения.

Возможно применение и новых дешевых излучателей, но имеющих более узкую диаграмму направленности с большой интенсивностью излучения. Таким источником оптического излучения является VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) - Лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором , работающий на длине волны 850 нм и 1300 нм. Применение данного источника излучения будет особенно экономически выгодным на длине волны 850 нм.

Рис. 3 Лазер поверхностного излучения
с вертикальным объемным резонатором (VCSEL)

Достоинствами VCSEL являются:

1. Технологичность производства излучателя;
2. Снижение цены по сравнению с лазерным диодом;
3. Узконаправленный и интенсивный спектр оптического излучения.

Все эти характеристики излучателя являются чрезвычайно важными при расчете экономической эффективности применения СКС, работающих на оптоволокне.

Линейные системы, строящиеся на основе оптоволокна позволили значительно повысить скорость передачи информации и увеличить длину участка прокладки оптоволокна без промежуточной регенерации.

Практический опыт многих лет создавал иллюзию, что существующие многомодовые волокна могут обеспечить почти неограниченную полосу пропускания в магистралях локальных вычислительных сетей, позволяя использовать все более высокую скорость передачи данных.

Однако проведенные недавно испытания показали, что традиционные многомодовые магистрали просто не в состоянии были обеспечить требуемую полосу пропускания на расстоянии свыше 275 м.

Появление нового поколения оптических излучателей типа VCSEL, работающих на длине волны 850 нм, заставляет выбрать многомодовый оптоволоконный кабель, оптимизированный для лазерной накачки, чтобы получить требуемую полосу пропускания на больших расстояниях. Кабельные решения GIGAlite II компании Nexans, рекомендованные Сонет Текнолоджис - это выбор сегодняшнего дня; они предлагаются с оптоволокном стандарта 50/125 мкм и 62,5/125 мкм.

В чем же преимущества технологии GIGALite II фирмы Nеxans?

На сегодняшний день - это, пожалуй, единственный оптоволоконный кабель, который в состоянии обеспечить требуемую полосу пропускания информационного сигнала на больших расстояниях.

В ходе разработки технологии Gigabit Ethernet было обнаружено искажение сигнала с длиной волны 1300 нм (1000Base–LX) на некоторых многомодовых кабелях низкого качества, имеющих физический дефект в самом центре оптоволокна.

Проведенные испытания показали, что можно избежать искажения сигнала, используя специальные соединительные шнуры, получившие название «соединительный шнур с равновесным модовым распределением», которые обеспечивают смещение при лазерной накачке в многомодовый кабель.

Высокое качество оптоволокна в кабелях GIGAlite II позволяет обойтись без использования этих дорогостоящих специальных соединительных шнуров.

До настоящего времени метод измерения полосы пропускания был основан на условиях OFL (Over Fill Launch - Накачка с модовым переполнением), характерных для светодиодной накачки.

Передатчики типа VCSEL и лазерные диоды обеспечивают неполное заполнение оптоволокна: уменьшение количества мод, поступающих в оптоволокно, должно вести к увеличению полосы пропускания, но только если профиль показателя преломления оптоволокна оптимизирован в самом его центре.

Как известно, явление модовой дисперсии значительно снижает скорость передачи оптического сигнала по оптоволокну. Получается, что при передаче идеального остроконечного импульса он не только претерпевает «уширение», но и теряет часть энергетического спектра за счет эффекта «провала» вершины импульса. Такой эффект провала вызван профилем индекса искажений DIP (Distortion Index Profile) оптоволокна, по которому осуществляется передача (рис. 4,5).

Профиль DIP, который изображен на рисунке вызывает возникновение временной задержки распространения оптического сигнала в многомодовом волокне.

В этом случае моды оптического излучения низкого порядка будут приходить быстрее мод более высокого порядка, что неизбежно отразится на качественных характеристиках канала передачи в СКС.

Оптоволокно технологии GIGAlite II позволяет избежать задержек сигнала в канале СКС. При использовании данного многомодового волокна расстояния, определяемые максимальной дальностью передачи информационного сигнала для сетевого приложения GAGAbit Ethernet могут быть увеличены более, чем вдвое (рис.6)

Могут быть предложены универсальные оптоволоконные решения для магистралей распределителей уровня кампуса, вертикальных участков и свернутых магистралей, а также для оснащения рабочего места.

В связи с этим, интерес представляют несколько кабельных решений, которым компания Сонет Текнолоджис уделяет особое внимание.

Это кабельные решения на основе оптоволокна, получившие сокращения FTTW - оптоволокно до рабочего места, соединяющие в себе решения FTTO - оптоволокно в офис и FTTD - оптоволокно до рабочего стола. Технология FTTW пришла на смену существовавшей до недавнего времени популярной технологии - кабельного решения CTTD - медный кабель до рабочего места (см. рис.7).

Кабельные решения FTTW объединяют два направления, работающие на базе оптоволоконных кабелей: FTTD и FTTO (рис.8)

Преимуществами такого оптоволоконного кабельного решения перед известными, базирующимися на основе медного кабеля будут следующие факторы:

1. Оптоволокно подходит к розетке рабочего места минуя уровни распределения этажа здания, что позволяет сэкономить на установке коммутационных коробок зонового распределения;
2. Возможность доведения до офиса оптоволоконной магистрали высокоскоростных сетевых приложений, таких, как АТМ 155 Мбит/с и GIGAbit Ethernet 1000 Мбит/с;
3. Организация офисных концентраторов на базе оптоволокна с последующим зоновым распределением в офисе или преобразованием оптического излучения в электрический сигнал с доводкой сетевого приложения до рабочего места по медному кабелю.

И, наконец, доводка оптоволоконного кабеля до рабочего места потребует от монтажника выполнения только оконцевания волокна в разъеме.

Одним из новых направлений организации оптоволоконного доступа в офис служит технология FTTO –оптоволокно в офис.

Отличие данного кабельного решения на базе оптоволокна от уже рассмотренного заключается в комбинировании решений FTTD и FTTO. При этом пользователи получают возможность работы с сетевым приложением по стандартным медным витым парам.

Оптические коннекторы

Типов оптических коннекторов столько, сколько существует производителей оборудования. Рекомендуемым типом оптического коннектора согласно спецификации ANSI/TIA/EIA–568A на телекоммуникационную проводку для коммерческих зданий является двойной защелкивающийся SC коннектор.

Однако наиболее часто используемым типом оптического коннектора в патч панелях стал коннектор ST.

Несмотря на использование стандартных коннекторов для оптической патч панели, вы наверняка столкнетесь с множеством оптических коннекторов в оконечном оборудовании. Если коннектор на оконечном оборудовании не соответствует тому, что установлен на патч панели, то вам придется покупать двустороннюю оптическую перемычку с требуемыми коннекторами.

Сращивание волокон

Сращивание оптоволоконных кабелей - процедура неизбежная. Наиболее распространены два метода сращивания: механическое сращивание (сплайсинг) и сварка, каждый из которых имеет своих единомышленников.

При механическом сплайсинге концы волокон соединяются друг с другом при помощи муфты–зажима. При сварке концы волокон стыкуются при помощи сварочного аппарата.

Начальные затраты на оборудование для сварки волокон могут быть весьма значительными, но в результате вы получите сварной шов, практически не имеющий затухания. Механическое сращивание будет по качеству хуже сварки.

Неудачное сращивание многомодового волокна имеет меньшие последствия, нежели одномодового, потому что пропускная способность сигнала, передаваемого по многомодовому волокну несколько ниже и волокно не так чувствительно к отражениям в результате механического сращивания. Если сетевое приложение чувствительно к отражениям, то в качестве метода сращивания необходимо применить сварку.

Тестовое оптическое оборудование

Если вы уже приобрели оптоволоконный кабель и собрались делать проводку, то тогда не забудьте приобрести и измеритель мощности оптического сигнала. Такие измерители нуждаются в калибровке для обеспечения точности замера уровня мощности сигнала на волне заданной длины. Некоторые модели измерителей позволяют при замерах мощности выбирать длину волны.

Чтобы генерировать оптический сигнал для выполнения измерений, нам потребуется источник оптической энергии с соответствующей длиной волны. Он излучает оптический сигнал с известной длиной волны и уровнем мощности. Если источник излучения не генерирует оптическую энергию заданной длины волны, что и оконечное линейное оборудование, то измеренные значения оптических потерь не будут соответствовать действительным оптическим потерям волоконно–оптической линии связи.

При прокладке оптоволоконного кабеля вам не обойтись без рефлектометра OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) или аналогичного оборудования измерений. Если вы не можете приобрести такое оборудование самостоятельно, то его можно арендовать в компании Сонет Текнолоджис на время прокладки кабеля. OTDR поможет вам определить характеристики волокна и обеспечить вывод результатов с их графическим представлением. Принцип работы OTDR–рефлектометра похож на оптический радар: он посылает оптические импульсы, а затем измеряет время и амплитуду отраженного сигнала. Помните, однако, что хотя такие рефлектометры и позволяют измерить величину затухания в дБ, эта величина, как показывает опыт, не очень точна. Для измерения затухания вы должны использовать измеритель мощности оптического сигнала и источник с эталонной длиной волны.

Вместо заключения

Нашей целью было познакомить специалистов из мира компьютерных сетей с волоконно–оптической технологией. Этим, однако, проблемы с волоконной оптикой не исчерпываются, - остаются, например, радиус изгиба оптоволокна, материалы для изготовления кабеля, выбор оконечного оборудования. Но если нам удалось убедить вас в том, что мир оптического кабеля не так уж сильно отличается от более привычного медного кабельного мира, то наша задача выполнена.

Эти советы помогут вам при работе с оптоволокном

Наиболее важные советы по оптоволокну

Внимание! Никогда не смотрите непосредственно в оптическое волокно! Уважайте оптические приемопередатчики! Передаваемая по оптоволокну оптическая энергия не видима человеческим глазом, она может необратимо повредить сетчатку глаза.

Внимание! Обрезки волокна, образующиеся при сращивании волокон, представляют собой осколки стекла. Эти мелкие, практически невидимые «стекляшки» могут повредить кожу или попасть в глаз. Собрать их поможет клейкая двусторонняя лента или скотч.

Внимание! Следите за пожаробезопасностью во время сращивания волокон. При зачистке волокон обычно используется спирт, а он легко воспламеняется, и, кроме того, его горение бесцветно!

Общие советы

Документируйте тестирование оптоволокна. Тесты, проводимые во время прокладки кабеля, дают очень ценные данные. На случай возникновения проблем в будущем сохраните копии измерений потерь и волновых форм.

Затухание сигнала. Установите и запишите затухание каждого волокна на используемой длине волны. Если оконечное оборудование работает с волной 780 нм, то затухание надо проверить на 780 нм - затухание на 850 нм будет отличаться от искомого.

Число волокон. Число волокон в кабеле между зданиями и внутри зданий должно быть максимально возможным.

Четырехкратный допуск на мощность. Делайте допуск по крайней мере в 2 дБ на оптическое затухание по оптоволокну и даже, если это позволяет бюджет, больше.

Не курите! Не курите во время сращивания волокон.

Описание оптоволоконной линии. Составьте описание оконечного оптического канала, включая мощность оптического излучения при передаче, оптические потери, местоположение патч панели, тип коннектора для каждого соединения и мощность оптического излучения при приеме.

Коннекторы для одномодового волокна. Если вы используете как одномодовое, так и многомодовое волокно в кабельной проводке, то одномодовые коннекторы и муфты следует держать отдельно от многомодовых. Во–первых, одномодовые компоненты обходятся дороже. А во–вторых, многомодовый компонент, установленный вместо одномодового, не так–то просто обнаружить даже с помощью специальных приборов.

Топология «звезда». По возможности, физическая проводка должна иметь топологию «звезда».

Использование оптоволокна 62,5/125. Для внутренних приложений наиболее предпочтительно применение многомодового волокна 62,5/125 мкм, к тому же оно рекомендовано стандартом ANSI/TIA/EIA/–568A.

Фото из открытых источников

Волоконно-оптический кабель – представляет собой стеклянный пучок нитей, который может передавать оптические сигналы. Еще совсем недавно такой кабель стали применять для абонентских линий, а уже сейчас – это основная среда для того, чтоб передавать цифровую информацию на больших расстояниях.

Зачем нужен кабель ОКГ?

Кабель ОКГ разработали для того, чтоб заменить громоздкие кабеля из меди. Они могут выпускаться в таких модификациях как – одномодовые (получили свое применение в телефонии) и многомодовые (широко применяются в сетях). Различия между ними состоит в том, что одномодовые волокна могут передавать сигналы с волнами одной длинны, а многомодовые – волны с разной длинной.

Производство

Ранее уже было сказано, что ВОК – представляет собой стеклянные волокна. Изначально одно волокно – это стержень из стекла, диаметр которой от пяти до восьми сантиметров. Далее такой стержень загружается в специальную машину, которая путем плавки и протягивания превращает его в волокно. После этого такое волокно покрывается оболочкой с внутренними силовыми компонентами.

Прокладывается ВОК практически так же как и медный, но разница состоит в хрупкости, т.е. если ВОК чрезмерно изгибать или натягивать – он ломается.

Безопасность

Для работы с волокно-оптическими кабелями необходимо ни в коем случае не смотреть на торец без специального оборудования, т.к. практически невидимый кусок волокна может, попав в глаза нанести им непоправимый ущерб.

Сращивание

ВОК сращивают либо механически (благодаря специальному устройству концы кабеля полируются, а гель заполняет микро-полости) либо с помощью плавления (волокна плавятся и становятся одним целым).

В основном сращивают волокна механически, т.к. для этого необходим простой набор инструментов, которые предлагают практически все производители, а полировкой может заняться любой рабочий службы поддержки. Если же сращивать волокна методам плавления, то необходимо дорогое оборудование, и не каждый монтажник сможет это сделать.

Ремонт кабеля

Конструкция ВОК изначально совершенна и имеет достаточно каналов в своем резерве, что дает гарантию работы сети с потерями, сведенными к минимуму, если кабель был поврежден. Но в тоже время, если повреждение произошло, то для ремонта потребуется сделать как минимум 2 дополнительных стыка, что может привести к потере мощности. Для того, чтоб этого не произошло, следует заранее включить в кабельную систему ремонтно-восстановительные работы. Конечно, это потребует лишних средств, но поможет сэкономить если возникли какие-либо неполадки в кабеле.

Применение звука и света в качестве сигналов для подачи информации началось ещё с древних времён, когда люди стучали в гонг и поджигали костры, предупреждая друг друга об опасности. Те времена канули в лету, но идея о звуковых и световых носителях информации не утратила актуальность и со временем усовершенствовалась в различных устройствах. Одним из них был оптический телеграф, изобретённый Робертом Гуком. Он представлял собой аппарат, информация с которого подавалась в виде специальных сигналов. На дальнем расстоянии их можно было рассмотреть при помощи подзорной трубы. Устройство Гука получило популярность и использовалось довольно продолжительное время.

Впоследствии француз Клод Шапп спроектировал и разработал сигнальный аппарат с цифровым кодом, значения которого расшифровывались при помощи специального словаря. Точность и быстрота передаваемых данных способствовала успеху этого изобретения и вскоре цепь телеграфов Шаппа была сооружена не только во Франции, но и в других странах.

В течение последующего столетия другими изобретателями вносились свои корректировки в уже существующие сигнальные устройства, а в начале 1960-го года советские учёные совершили абсолютный прорыв в физике: был изобретён лазер. На основе новой разработки были построены оптоволоконные линии передачи информации, имеющие ряд значительных преимуществ перед кабельной продукцией из меди: большую пропускную способность, устойчивость к электромагнитным помехам, меньший вес и более длительный срок эксплуатации.

Материалы для оптоволокна

При изготовлении оптоволокна применяется кварцевое стекло или полимерные материалы. Кварцевое оптическое волокно основано на плавленом кварце – ценном породообразующем минерале. Благодаря его свойствам оптоволокно на основе кварцевого стекла имеет множество положительных характеристик, таких как:

• хорошую оптическую прозрачность, что позволяет при передаче информации задействовать волны различного диапазона
• низкий показатель затухания. Благодаря этому свойству данные могут передаваться на дальние расстояния, что расширяет сферу использования кварцевого оптоволокна
• стойкость к длительному воздействию высоких температур.

Полимерное оптическое волокно обладает большой гибкостью, поэтому световоды, изготовленные с их применением могут иметь достаточно большой диаметр (от 1000 микрометров), что обеспечивает хорошую проводимость излучения по нему. Вместе с тем из-за высоких значений затухания полимерное оптоволокно не может использоваться в инфракрасных зонах, где его светопропускная способность значительно снижается.

Структура изделий

Кварцевое оптоволокно как и полимерное имеют одинаковое строение, в которое входят такие элементы, каждый из которых имеет свой показатель преломления:

1. Сердечник обеспечивает движение светового излучения по волокну. От величины диаметра сердечника зависит степень попадания в него пучков световых лучей. Следовательно, чем больше диаметр, тем шире доступная площадь для подачи излучения. В оптическом волокне значение преломления (n) сердечника составляет приблизительно 1,48.
2. Внутренняя оболочка имеет меньшее значение преломления, чем у сердечника, что обеспечивает внутреннее отражение, благодаря которому световые лучи движутся вдоль волокна. При полном внутреннем отражении, световой луч, попадающий в сердечник, будет передвигаться по нему с максимальной мощностью.
3. Внешняя обшивка является буферным многослойным покрытием, служащим для защиты внутренних элементов оптического волокна от внешних негативных факторов. Минимальная толщина обшивки составляет 250 микрон.

Разновидности оптического волокна

На сегодняшний день различают такие типы оптического волокна, как одномодовое и многомодовое , различающиеся друг от друга диаметром сердечника.

В одномодовом волокне диаметр сердечника составляет около 8 мкм. Из-за небольшого диаметра сердечника передвигаться по нему может исключительно один луч света поэтому возникновение межмодовой дисперсии сводится к нулю. Этот фактор делает возможным передачу данных на многокилометровые расстояния с высокой скоростью.

Оптоволокно, имеющие большой диаметр сердечника (62,5 мкм), по которому распространяется световое излучение, называют многомодовым . Этот тип оптического волокна позволяет вводить многочисленные световые лучи под различными углами и способствует их одновременному передвижению. Однако из-за большого размера сердечника увеличивается светоотражение от внешней обшивки, которое влечёт за собой рассеивание, при этом пропускная способность уменьшается.

В свою очередь многомодовые оптоволокна разделяют на:

• Градиентные
  В них плотность сердечника местами меняется, что вызывает межмодовую дисперсию: при переходе в разные плотности сердечника развивается большая скорость световых лучей и поэтому они достигают расстояние до конечной точки провода за меньший временной интервал.
• Ступенчатые
  Здесь плотность сердечника равномерна на протяжении всей длины оптоволокна, поэтому вероятность возникновения межмодовой дисперсии выше, чем в градиентном волокне

Область применения

Благодаря своим универсальным свойствам оптическое волокно широко применяется в медицине, технических и научных сферах, в создании оптической связи и оптоволоконных датчиков с высокой точностью показаний.

Оптоволокно - это стеклянная или пластиковая нить, используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Структура оптоволоконного кабеля

Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля, только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром порядка 1-10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции - стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. В данном случае мы имеем дело с режимом так называемого полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется, однако иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей).

Принцип размещения волокон в оптическом кабеле

Волоконная оптика - раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна. Оптоволокна используются в оптоволоконной связи, которая позволяет передавать цифровую информацию на большие расстояния и с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи. В ряде случаев они также используются при создании датчиков.

Выделяют несколько классов оптоволокон по особенностям структуры и принципа действия:

• Одномодовые оптоволокна
• Многомодовые оптоволокна
• Оптоволокна с градиентным показателем преломления
• Оптоволокна со ступенчатым профилем распределения показателей преломления.

Из-за физических свойств оптоволокна необходимы специальные методы для их соединения с оборудованием. Оптоволокна являются базой для различных типов кабелей, в зависимости от того, где они будут использоваться.

История

Принцип передачи света внутри оптоволокна был впервые продемонстрирован во времена королевы Виктории (1837-1901 гг.), но развитие современных оптоволокон началось в 1950-х годах, когда появились успехи в получении сверхчистого кварца, чувствительных полупроводниковых фотоприёмников и твёрдотельных полупроводниковых излучателей. Они стали использоваться в средствах связи несколько позже, в 1970-х; с этого момента технический прогресс позволил значительно увеличить диапазон применения волоконной оптики, заметно снизилась стоимость систем оптоволоконной связи и потери сигнала при его передаче. Изобретение лазеров сделало возможным построение волоконно-оптических линий передачи, превосходящих по своим характеристикам традиционные проводные средства связи.

Материалы

Стеклянные оптические волокна делаются из кварцевого стекла, но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как флуоро-цирконат, флуоро-алюминат и халькогенидные стекла. Как и другие стекла, эти имеют показатель преломления около 1,5.

В настоящее время развивается применение пластиковых оптических волокон (Plastic optical fibers).

В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются:

• светодиоды, или светоизлучающие диоды (Light Emmited Diode, LED);
• полупроводниковые лазеры, или лазерные диоды (Laser Diode).

Для одномодовых кабелей применяются только лазерные диоды, так как при таком малом диаметре оптического волокна световой поток, создаваемый светодиодом, невозможно без больших потерь направить в волокно - он имеет чересчур широкую диаграмму направленности излучения, в то время как лазерный диод - узкую. Поэтому более дешевые светодиодные излучатели используются только для многомодовых кабелей.

Основные характеристики. Приемущества и недостатки

Оптоволоконный кабель имеет существенные приемущества над другими:

• Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,35 дБ/км на длине волны 1300 и 1500 нм. При допустимом затухании 20 дБ максимальное расстояние между усилителями или повторителями составляет около 100 км и более.
• Низкий уровень шумов в волоконнооптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи с использованием различной модуляции сигналов без защиты и контролировать правильность принятой информации только в оконечных терминалах. Это упрощает алгоритмы обработки и еще больше увеличивает реальную скорость передачи.
• Защищенность от электромагнитных помех. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного затухания.
• Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см, может быть заменен одним волокном с диаметром 0,1 см. Если волокно "одеть" во множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого кабеля будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.
• Высокая безопасность от несанкционированного доступа. Поскольку оптоволоконный кабель практически не излучает в радиодиапазоне, передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема/передачи. Более того, несанкционированные отводы в оптической системе реализуются более сложно, и требуют подключения с помощью сложного оборудования. Несанкционированные подключения в оптической сети проще обнаруживаются. Системы, отслеживающие качество распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации), имеют очень высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления. Поэтому оптические системы со слежением за качеством сигнала особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.
• Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Оптоволоконные кабели не требуют заземления оболочки, защищающего от "блуждающих токов" и высоковольтных наводок по "земле", при которых может возникнуть большая разность потенциалов, что для электромагнитных кабелей может привести к повреждению сетевого оборудования.
• Пожаробезопасность. Изза отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.
• Уменьшение требований к линейнокабельным сооружениям. Волоконно-оптические кабели освобождают переполненные кабельные трубопроводы. Как уже отмечалось выше, волоконнооптические кабели имеют меньший объем в расчете на одну и ту же пропускную способность, в связи с чем переполнение кабельных трубопроводов становится маловероятным, даже при интенсивном росте широкополосных услуг.
• Экономичность волоконнооптического кабеля. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре определяется как 2:5. При этом ВОК позволяет передавать сигналы на большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при использовании ВОК. Современные системы передачи позволяют достигнуть дальности около 400 км только с использованием оптических усилителей на промежуточных узлах при скорости передачи выше 10 Гбит/с.
• Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон этот процесс значительно замедлен, и срок службы волоконнооптического кабеля составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений стандартов приемо-передающих систем. Сроки старения оптических кабелей гораздо больше, чем сроки деградации электромагнитных кабельных сооружений.

Однако оптоволоконный кабель имеет и некоторые недостатки.

Самый главный из них - высокая сложность монтажа (при установке разъемов необходима микронная точность, от точности скола стекловолокна и степени его полировки сильно зависит затухание в разъеме). Для установки разъемов применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. В любом случае для этого нужна высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому чаще всего оптоволоконный кабель продается в виде заранее нарезанных кусков разной длины, на обоих концах которых уже установлены разъемы нужного типа.

Хотя оптоволоконные кабели и допускают разветвление сигналов (для этого выпускаются специальные разветвители на 2-8 каналов), как правило, их используют для передачи данных только в одном направлении, между одним передатчиком и одним приемником. Ведь любое разветвление неизбежно сильно ослабляет световой сигнал, и если разветвлений будет много, то свет может просто не дойти до конца сети.

Оптоволоконный кабель менее прочен, чем электрический, и менее гибкий (типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10-20 см). Чувствителен он и к ионизирующим излучениям, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна, то есть увеличивается затухание сигнала. Чувствителен он также к резким перепадам температуры, в результате которых стекловолокно может треснуть. В настоящее времы выпускаются оптические кабели из радиационно стойкого стекла (стоят они, естественно, дороже).

Оптоволоконные кабели чувствительны также к механическим воздействиям (удары, ультразвук) - так называемый микрофонный эффект. Для его уменьшения используют мягкие звукопоглощающие оболочки.

Применяют оптоволоконный кабель только в сетях с топологией «звезда» и «кольцо». Никаких проблем согласования и заземления в данном случае не существует. Кабель обеспечивает идеальную гальваническую развязку компьютеров сети. В будущем этот тип кабеля, вероятно, вытеснит электрические кабели всех типов или, во всяком случае, сильно потеснит их. Запасы меди на планете истощаются, а сырья для производства стекла более чем достаточно.

Классификация

Профиль показателя преломления различных типов оптических волокон: многомодовое волокно со ступенчаты изменением показателя преломления (а); многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления (6); одномодовое волокно (в).

Все оптические волокна делятся на две основные группы: многомодовые MMF (multi mode fiber) и одномодовые SMF (single mode fiber).

Понятие «мода», описывает режим распространения световых лучей во внутреннем сердечнике кабеля. В одномодовом кабеле используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого c длиной ВОЛНЫ света - от 5 до 10 мкм. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. Изготовление сверхтонких качественных волокон для одномодового кабеля представляет сложный технологический процесс, что делает одномодовый кабель достаточно дорогим. Кроме того, в волокно такого маленького диаметра достаточно сложно направить пучок света, не потерян при этом значительную часть его энергии. В многомодовых кабелях используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В стандартах определены два наиболее употребительных многомодовых кабеля: 62,5/125 мкм и 50/125 мкм, где 62,5 мкм или 50 мкм - диаметр центрального проводника, а 125 мкм - диаметр внешнего проводника.

Многомодовые волокна

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые (step index multi mode fiber) и градиентные(graded index multi mode fiber).

В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается. Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки - 125 мкм (это иногда обозначается как 62,5/125). Для передачи используется обычный (не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем. Длина волны света в многомодовом кабеле равна 0,85 мкм. Допустимая длина кабеля достигает 2-5 км. В настоящее время многомодовый кабель - основной тип оптоволоконного кабеля, так как он дешевле и доступнее.

Многомодовые волокна со ступенчатым профилем

Первые волокна для передачи данных были многомодовыми со ступенчатым профилем показателя преломления. Для распространения света благодаря полному внутреннему отражению, необходимо иметь показатель преломления стекла сердцевины n1 , немного большим, чем показатель преломления стекла оболочки n2 . На границе раздела двух стеклянных сред должно выполняться условие: n1 > n2 . Если показатель преломления сердцевины оптического волокна n1 одинаков по всему поперечному сечению, то тогда говорят, что волокно имеет ступенчатый профиль. Такой волоконный световод является многомодовым. Импульс света, распространяющийся в нем, состоит из многих составляющих, направляемых в отдельных модах световода. Каждая из этих мод возбуждается на входе волокна под своим определённым углом ввода в световод и направляется по нему вдоль сердцевины, проходя с различным траекториями движения луча. Каждая мода проходит разное расстояние оптического пути и поэтому проходит всю длину световода за разное время. При этом, если мы подадим на вход световода короткий (прямоугольный) импульс света, то на выходе многомодового световода получим «размытый» по времени импульс. Эти искажения, обусловленные дисперсией времени задержки отдельных мод, называются модовой дисперсией.

Многомодовые волокна с градиентным профилем

В многомодовом оптическом волокне со ступенчатом профилем, моды распространяются по оптическим путям разной длинны и поэтому приходят к концу световода в разное время. Эта дисперсия может быть значительно уменьшена, если показатель преломления стекла сердцевины уменьшается параболически от максимальной величины n1 у оси световода, до величины показателя преломления n2 на поверхности границы раздела с оболочкой. Оптический волновод с таким профилем, (когда показатель преломления плавно изменяется) называется градиентным волоконным световодом. Лучи света проходят по такому волокну по волно- или винтообразным спиралям. Чем дальше отклоняется луч света от оси световода, тем сильнее он заворачивается обратно к оси. При этом, так как показатель преломления от оси к краю сердцевины уменьшается, то увеличивается скорость распространения света в среде. Благодаря этому более «длинные» оптические пути компенсируются меньшим временем прохождения. В результате различие временных задержек различных лучей почти полностью исчезает.

Одномодовые волокна

Одномодовые волокна подразделяются на ступенчатые одномодовые волокна (step index single mode fiber) или стандартные волокна SF (standard fiber), на волокна со смещенной дисперсией DSF (dispersion-shifted single mode fiber), и на волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (non-zero dispersion-shifted single mode fiber).

В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в результате чего все они достигают приемника одновременно, и форма сигнала практически не искажается. Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает свет только с такой же длиной волны (1,3 мкм). Дисперсия и потери сигнала при этом очень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Для одномо-дового кабеля применяются лазерные приемопередатчики, использующие свет исключительно с требуемой длиной волны. Такие приемопередатчики пока еще сравнительно дороги и не слишком долговечны. Однако в перспективе одномодовый кабель должен стать основным благодаря своим прекрасным характеристикам.

Волокно со ступенчатым профилем

Модовая дисперсия в оптическом волокне может быть исключена, если структурные параметры ступенчатого световода подобрать таким образом, что в нём будет направляться только одна мода, а именно - фундаментальная (основная) мода. Однако и основная мода так-же уширяется во времени по мере её прохождения по такому световоду. Это явление называется хроматической дисперсией. Она является свойством материала, поэтому как правило, имеет место в любом оптическом световоде, но в диапазоне длин волн от 1200 до 1600 нм она относительно мала или отсутствует. Для изготовления ступенчатого волоконного световода с малым затуханием, который направляет только фундаментальную моду в диапазоне длин волн более 1200 нм диаметр поля моды должен быть уменьшен до 8-10 мкм. Такой ступенчатый волоконный световод называется стандартным одномодовым оптическим волокном.

Волокна с многоступенчатым профилем

Профиль показателя преломления обычного одномодового световода имеет ступенчатый профиль. Для такой структуры профиля сумма дисперсии материала в волноводной дисперсии при длине волны около 1300нм равна нулю. Для современных устройств передачи данных по оптическому волокну, использующих длины волн 1550 нм или одновременную передачу сигналов на нескольких длинах волн, желательно иметь нулевую дисперсию и при других длинах волн. А для этого необходимо изменить волновую дисперсию и, следовательно, структуру профиля преломления волоконного световода. Это приводит к многоступенчатому или сегментному профилям показателя преломления. Используя эти профили, можно производить волоконные световоды, у которых длина волны с нулевой дисперсией сдвинута до 1550 нм (волокно со смещённой дисперсией) или величины дисперсии очень малы во всём диапазоне волн от 1300 нм до 1550 нм (волокно со сглаженной или компенсированной дисперсией).

Диаметр сердцевины одномодовых волокон 7-9 микрон. Благодаря малому диаметру достигается передача по волокну лишь одной моды электромагнитного излучения, за счёт чего исключается влияние дисперсионных искажений. В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми.

Способы соединения оптических волокон

На сегодняшний день существует множество технологий соединения оптических волокон. Рассмотрим две из них – это дуговая сварка, осуществляемая при помощи сварочного аппарата и механическое соединение внутри специальной муфты – сплайса (не путайте с кабельной муфтой, служащей для соединения, двух или нескольких оптических кабелей).

Сварка оптических волокон

Для сварки оптических волокон применяется специальный сварочный аппарат. Это комплексное устройство,содержащее в себе микроскоп, служащий для юстировки волокон, зажимы с v-образными желобками для надежной фиксации волокон и микроприводами, служащими для автоматизации процесса, дуговую сварку, термоусадочную камеру для прогрева защитных гильз, микропроцессор, служащий для управления аппаратом и систему контроля качества.

Технология процесса сварки оптических волокон состоит из следующих шагов:

1) Снятие оболочек с помощью стриппера буферного слоя – инструмента, предназначенного для работы с волокнами различных диаметров.

2) Подготовка волокна к сварке. Сначала на один из концов одевается термоусадочная гильза, необходимая для защиты места сварки. Затем зачищенные концы оптоволокон обезжириваются с помощью безворсовой салфетки, смоченной в спирте. После обезжиривания торец волокна скалывается особым приспособлением – скалывателем. Угол скола должен составлять 90°±1.5°, в противном случае на месте сварки образуется неоднородность, приводящая к большому затуханию и обратным отражениям. После скола оптические волокна укладываются в сварочный аппарат.

3) Сварка. Сначала волокна в аппарате выравниваются. Если аппарат автоматический, то он сам оценивает угол скола, юстирует волокна друг относительно друга и, после подтверждения со стороны оператора, проводит процесс сварки. Если аппарат неавтоматический, то все эти операции производятся специалистом вручную. В процессе сварки волокна нагреваются и плавятся электрической дугой, затем совмещаются, и место сварки дополнительно прогревается для устранения внутренних напряжений.

4) Контроль качества сварки. Автоматический сварочный аппарат анализирует изображения, полученные от микроскопа и выдает приблизительную оценку уровня потерь. Более точно результат можно оценить с помощью оптического рефлектометра – прибора, позволяющего выявить неоднородности и степень затухания на протяжении всей линии.

5) Защита места сварки. Защитная гильза, одетая на один из концов кабеля, сдвигается на место сварки и помещается в термоусадочную печь примерно на минуту. После остывания гильза помещается в защитную сплайс-пластину муфты или оптического кросса, где укладывается технологический запас волокна.

Механическое соединение оптических волокон – механический сплайс

Для механического соединения оптических волокон используется специальное устройство – сплайс (splice). Сплайс состоит из корпуса (а), в который, через специальные каналы и направляющие в вводятся сколотые концы волокон (г). Направляющие служат для прецизионной стыковки торцов в камере, заполненной иммерсионным гелем (д), необходимым для сведения к минимуму переходного затухания и герметичности соединения. Показатель преломления геля близок к показателю сердцевины волокна, что позволяет свести к минимуму обратное отражение. Сверху корпус закрывается крышкой (б).

Технология процесса соединения оптоволокон при помощи механического сплайса состоит из следующих шагов:

1) и 2) Аналогично пунктам 1 и 2 при использовании сварки волокон. Концы волокон зачищаются, обезжириваются и у них скалываются торцы. Допуски по углам скола так же очень жесткие. Отличие механического сплайса от сварного сплайса – не требуется использование термоусадочной гильзы, так как механический сплайс выполняет функцию механической защиты оптических волокон.

3) Механическое соединение. Подготовленные концы волокон вводят с разных сторон через боковые каналы сплайса в камеру, заполненную иммерсионным гелем. Волокна вводятся до взаимного контакта. После введения крышка сплайса закрывается и надежно скрепляет место соединения.

4) Укладка. Собранный сплайс устанавливается на сплайс-пластину муфты или кросса, вместе с ним укладывается технологический запас волокна.

Качество механического соединения можно проверить с помощью оптического тестера или рефлектометра.

Сравнение использования сварки или механического соединения оптических волокон

Каждый из двух приведенных способов имеет свои достоинства и недостатки.

К достоинствам сварного соединения можно отнести низкое переходное затухание, высокую надежность и быстрая скорость соединения волокон. Недостатком является высокая стоимость оборудования (сварочного аппарата), наличие квалифицированного оператора, необходимость в большей площади для выполнения работ и электропитание (либо подзарядка) сварочного аппарата.

Применение методов

Достоинствами механического соединения являются простота и малые затраты времени на монтаж, меньшая длина технологического запаса волокна, недостатки – более высокий уровень переходного затухания. варное соединение имеет смысл использовать при построении длинных участков магистралей. В случаях, требующих высокого качества линии, например, при построении высокоскоростных ВОЛС для ЦОД, где требуются низкие параметры затухания и обратных отражений.

Сращивание при помощи механического сплайса применимо чаще всего для временных соединений, например, при срочном устранении повреждений кабеля, для монтажа малобюджетных линий и при работе в труднодоступных местах.

Применение

Волоконно-оптическая связь

Оптическое волокно используется в качестве среды передачи на телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей.

Волоконно-оптический датчик

Оптическое волокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, даёт волоконно-оптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях.

Оптическое волокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптическим волокном.

Волоконно-оптические датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Они хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков.

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Оптическое волокно применяется в лазерном гироскопе, используемом в Boeing 767 и в некоторых моделях машин (для навигации). Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна, полученные при вращении заготовки с сильным встроенным двойным лучепреломлением.

Другие применения оптического волокна

Диск фрисби, освещённый оптическим волокном

Оптические волокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптические волокна используются для обозначения маршрута с крыши в какую-нибудь часть здания. Волоконно-оптическое освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные ёлки.

Оптическое волокно также используется для формирования изображения. Пучок света, передаваемый оптическим волокном, иногда используется совместно с линзами - например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.

Литература

• Олифер В.Г., Олифер Н.А.Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы:Учебник для вузов.3-е изд. -СПб.:Питер,2006.-958с.

Рассказывалось о самых распространенных типах оптоволоконного кабеля, применяемых на Украине. А сегодня - кабель в разрезе, и по ходу повествования - некоторые практические моменты его монтажа.

Мы не будем останавливаться на подробной структуре всех видов кабеля. Возьмем некий усредненный типовой ОК:

1. Центральный (осевой) элемент.
2. Оптическое волокно.
3. Пластиковые модули для оптических волокон.
4. Пленка с гидрофобным гелем.
5. Полиэтиленовая оболочка.
6. Броня.
7. Внешняя полиэтиленовая оболочка.

Что же представляет каждый слой при подробном рассмотрении?

Центральный (осевой) элемент

Стеклопластиковый прут в полимерной оболочке или без нее. Основное назначение - придает жесткость кабелю . Стеклопластиковые стержни без оболочки плохи тем, что легко ломаются при изгибе и повреждают расположенное вокруг них оптоволокно.

Оптическое волокно

Нити оптического волокна чаще всего имеют толщину в 125 микрон (примерно с волос). Они состоят из сердечника (по которому, собственно, идет передача сигнала) и стеклянной же оболочки немного другого состава, обеспечивающей полное преломление в сердечнике.

В маркировке кабеля диаметр сердечника и оболочки обозначается цифрами через слэш. К примеру: 9/125 - сердцевина 9 мкм, оболочка - 125 мкм.

Количество волокон в кабеле варьируется от 2 до 144, это также фиксируется цифрой в маркировке.

В зависимости от толщины сердечника оптоволокно подразделяется на одномодовое (тонкий сердечник) и многомодовое (большего диаметра). В последнее время многомод применяется все реже, поэтому останавливаться на нем не будем. Отметим только, что предусмотрен он для использования на небольшие расстояния. Оболочку многомодового кабеля и патчкордов обычно делают оранжевого цвета (одномодовый - желтый).

В свою очередь одномодовое оптическое волокно бывает:

• Стандартное (маркировка SF, SM или SMF );
• Со смещенной дисперсией (DS, DSF );
• С ненулевой смещенной дисперсией (NZ, NZDSF или NZDS).

В общих чертах - оптоволоконный кабель со смещенной дисперсией (в т.ч. с ненулевой) применяется на гораздо большие расстояния, чем обычный.

Поверх оболочки стеклянные нити покрыты лаком, и этот микроскопический слой тоже играет важную роль. Оптоволокно без лакового покрытия повреждается, крошится и ломается при малейшем воздействии. В то время как в лаковой изоляции его можно скручивать и подвергать некоторой нагрузке. На практике оптоволоконные нити неделями выдерживают вес кабеля на опорах, если в процессе эксплуатации рвутся все остальные силовые стержни.

Однако не стоит возлагать на прочность волокон слишком большие надежды - даже покрытые лаком они легко ломаются. Поэтому при монтаже оптических сетей, особенно при ремонте действующих магистралей, требуется предельная аккуратность.

Пластиковые модули для оптических волокон

Это пластиковые оболочки, внутри которых - пучок оптоволоконных нитей и гидрофобная смазка. В кабеле может быть либо одна такая туба с оптоволокном, либо несколько (последнее - чаще, особенно если волокон много). Модули выполняют функцию защиты волокон от механических повреждений и попутно - их объединения и маркировки (если модулей в кабеле несколько). Однако нужно помнить, что пластиковый модуль при изгибе довольно просто переламывается, и ломает находящиеся в нем волокна.

Какого-то одного стандарта на цветную маркировку модулей и волокон нет, но каждый производитель прикрепляет к барабану с кабелем паспорт, в котором это обозначено.

Пленка и полиэтиленовая оболочка

Это элементы дополнительной защиты волокон и модулей от трения, а также влаги - в некоторых видах оптического кабеля под пленкой содержится гидрофоб. Пленка сверху может быть дополнительно армирована переплетением нитей и пропитана гидрофобным гелем.

Пластиковая оболочка выполняет те же функции, что и пленка, плюс служит прослойкой между броней и модулями. Есть модификации кабеля, где ее вообще нет.

Броня

Это может быть либо кевларовая броня (сплетенные нити), либо кольцо стальных проволок, либо лист гофрированной стали:

• Кевлар применяется в тех видах оптоволоконного кабеля, где содержание металла недопустимо или если нужно снизить его вес.
• Кабель с броней из стальных проволочек предназначен для подземной укладки непосредственно в грунт - прочная броня защищает от многих повреждений, в т.ч. от лопаты.
• Кабель с гофроброней прокладывают в трубах или кабельной канализации, защитить такая броня может лишь от грызунов.

Внешняя полиэтиленовая оболочка

Первый и практически самый важный уровень защиты. Плотный полиэтилен призван выдерживать все нагрузки, выпадающие на долю кабеля, поэтому если он повреждается, существенно увеличивается риск порчи кабеля. Нужно следить, чтобы оболочка:

a) Не была повреждена при монтаже - иначе попавшая внутрь влага увеличит потери на линии;

b) Не касалась в процессе эксплуатации о дерево, стену, угол или ребро конструкции и т.д., если есть риск возникновения трения в этом месте при ветровых и иных нагрузках.