Материал предоставлен Кунегиным С. В.
Другие материалы по информационным и технологиям
(связь, сети, телевидение, безопасность и др.)
Вы можете посмотреть на сайте kunegin.narod.ru
Конструкция и характеристика оптических
кабелей связи
Классификация оптических кабелей связи
Оптический
кабель состоит из скрученных по
определенной системе оптических
волокон из кварцевого стекла
(световодов), заключенных в общую
защитную оболочку. При
необходимости кабель может
содержать силовые (упрочняющие) и
демпфирующие элементы.
Существующие
ОК по своему назначению могут быть
классифицированы на три группы:
магистральные, зоновые и городские.
В отдельные группы выделяется подводные, объектовые и монтажные
ОК.
Магистральные
ОК предназначаются для передачи информации на большие
расстояния и значительное число
каналов. Они должны обладать малыми
затуханием и дисперсией и большой
информационно-пропускной
способностью. Используется одномодовое волокно с размерами
сердцевины и оболочки 8/125 мкм. Длина
волны 1,3...1,55 мкм.
Зоновые
ОК служат для организации
многоканальной связи между
областным центром и районами с
дальностью связи до 250 км.
Используются градиентные волокна с
размерами 50/125 мкм. Длина волны 1,3
мкм.
Городские
ОК применяются в качестве
соединительных между городскими
АТС и узлами связи. Они рассчитаны
на короткие расстояния (до |10 км) и
большое число каналов.
Волокна-градиентные (50/125 мкм). Длина
волны 0,85 и 1,3 мкм. Эти линии, как
правило, работают без
промежуточных линейных
регенераторов.
Подводные
ОК предназначаются для осуществления связи через большие
водные преграды. Они должны
обладать высокой механической
прочностью на разрыв и иметь
надежные влагостойкие покрытия.
Для подводной связи также важно
иметь малое затухание и большие
длины регенерационных участков.
Объектовые
ОК служат для передачи
информации внутри объекта. Сюда
относятся учрежденческая и
видеотелефонная связь, внутренняя сеть кабельного телевидения, а
также бортовые информационные
системы подвижных объектов
(самолет, корабль и др.).
Монтажные
ОК используются для внутри- и
межблочного монтажа аппаратуры.
Они выполняются в виде жгутов или
плоских лент.
Оптические
волокна и особенности их
изготовления
Основным
элементом ОК является оптическое
волокно (световод), выполненное в
виде тонкого стеклянного волокна
цилиндрической формы, по которому
передаются световые сигналы с
длинами волны 0,85...1,6 мкм, что
соответствует диапазону частот
(2,3...1,2) • 1014 Гц.
Световод
имеет двухслойную конструкцию и
состоит из сердцевины и оболочки с
разными показателями преломления  .
Сердцевина служит для передачи
электромагнитной энергии.
Назначение оболочки — создание
лучших условий отражения на
границе “сердцевина — оболочка” и
защита от помех из окружающего
пространства.
Сердцевина
волокна, как правило, состоит из
кварца, а оболочка может быть
кварцевая или полимерная. Первое
волокно называется кварц—кварц, а
второе кварц—полимер
(кремнеор-ганический компаунд).
Исходя из физико-оптических
характеристик предпочтение
отдается первому. Кварцевое стекло
обладает следующими свойствами:
показатель преломления 1,46,
коэффициент теплопроводности 1,4
Вт/мк, плотность 2203 кг/м3.
Снаружи
световода располагается защитное
покрытие для предохранения его от
механических воздействий и
нанесения расцветки. Защитное
покрытие обычно изготавливается двухслойным: вначале
кремнеорганический компаунд (СИЭЛ),
а затем—эпоксидакрылат,
фторопласт, нейлон, полиэтилен или
лак. Общий диаметр волокна 500...800 мкм
(рис. 1).
Рис.
1. Сечение оптического волокна:
1—
сердцевина ; 2 — оболочка ; 3 —
защитное покрытие
В
существующих конструкциях ОК
применяются световоды трех типов:
ступенчатые с диаметром сердцевины
50 мкм, градиентные со сложным
(параболическим) профилем
показателя преломления сердцевины
и одномодовые с тонкой сердцевиной
(6...8 мкм) (рис. 2).
  
Рис.
2. Оптические волокна:
а
— профиль показателя преломления;
б — прохождение луча; 1 —
ступенчатые; 2 — градиентные; 3 —
одномодовые
По
частотно-пропускной способности и
дальности передачи лучшими
являются одномодовые световоды, а
худшими — ступенчатые.
Важнейшая проблема оптической связи —
создание оптических волокон (ОВ) с
малыми потерями. В качестве
исходного материала для изготовления ОВ используется кварцевое стекло  , которое является хорошей средой для распространения световой энергии. Однако, как
правило, стекло содержит большое
количество посторонних примесей,
таких как металлы (железо, кобальт,
никель, медь) и гидроксильные
группы (ОН). Эти примеси приводят к
существенному увеличению потерь за
счет поглощения и рассеяния света.
Для получения ОВ с малыми потерями
и затуханием необходимо избавиться от примесей, чтобы было химически
чистое стекло.
В
настоящее время наиболее
распространен метод создания ОВ с
малыми потерями путем химического
осаждения из газовой фазы.
Получение
ОВ путем химического осаждения из
газовой фазы выполняется в два
этапа: изготовляется двухслойная кварцевая заготовка и из нее
вытягивается волокно. Заготовка
изготавливается следующим образом
(рис. 3).
Рис.
3. Изготовление заготовки методом
химического осаждения из газовой
фазы:
1—опорная трубка (оболочка  ); 2—осажденные
продукты (сердцевина  );
3—нагревательная спираль; 4 —
газообразный поток кварца
Во внутрь
полой кварцевой трубки с
показателем преломления  длиной
0,5...2 м и диаметром 16...18 мм подается струя хлорированного кварца  и
кислорода  . В результате химической
реакции при высокой температуре
(1500...1700° С) на внутренней
поверхности трубки слоями
осаждается чистый кварц  . Таким
образом, заполняется вся внутренняя полость трубки, кроме
самого центра. Чтобы ликвидировать
этот воздушный канал, подается еще
более высокая температура (1900° С),
за счет которой происходит
схлопывание и трубчатая заготовка
превращается в сплошную
цилиндрическую заготовку. Чистый
осажденный кварц затем становится сердечником ОВ с показателем
преломления  , а сама трубка выполняет
роль оболочки с показателем
преломления . Вытяжка волокна из
заготовки и намотка его на приемный
барабан производятся при
температуре размягчения стекла
(1800...2200° С). Из заготовки длиной в 1 м
получается свыше 1 км оптического
волокна (рис. 4).
Рис.
4. Вытягивание волокна из заготовки:
1 —
заготовка; 2 — печь; 3 — волокно; 4 —
приемный барабан
Достоинством
данного способа является не только
получение ОВ с сердечником из
химически чистого кварца, но и
возможность создания градиентных
волокон с заданным профилем
показателя преломления. Это
осуществляется: за счет применения легированного кварца с присадкой
титана, германия, бора, фосфора или
других реагентов. В зависимости от
применяемой присадки показатель
преломления волокна может
изменяться. Так, германий
увеличивает, а бор уменьшает
показатель преломления. Подбирая рецептуру легированного кварца и
соблюдая определенный объем
присадки в осаждаемых на
внутренней поверхности трубки
слоях, можно обеспечить требуемый
характер изменения  по сечению сердечника
волокна.
Конструкции
оптических кабелей
Конструкции
ОК в основном определяются назначением и областью их
применения. В связи с этим имеется много конструктивных вариантов. В
настоящее время в различных
странах разрабатывается и
изготавливается большое число
типов кабелей.
Рис.
5. Типовые конструкции оптических
кабелей:
а—повивная концентрическая скрутка;
б—скрутка вокруг профилированного
сердечника; в—плоская конструкция;
1— волокно; 2— силовой элемент; 3—
демпфирующая оболочка; 4—защитная оболочка; 5—профилированный
сердечник; 6— ленты с волокнами
Однако все
многообразие существующих типов
кабелей можно подразделять на три
группы (рис.5) :
- кабели
повивной концентрической
скрутки
- кабели с
фигурным сердечником
- плоские
кабели ленточного типа.
Кабели
первой группы имеют традиционную
повивную концентрическую скрутку
сердечника по аналогии с
электрическими кабелями. Каждый
последующий повив сердечника по
сравнению с предыдущим имеет на
шесть волокон больше. Известны
такие кабели преимущественно с
числом волокон 7, 12, 19. Чаще всего
волокна располагаются в отдельных
пластмассовых трубках, образуя модули.
Кабели
второй группы имеют в центре
фигурный пластмассовый сердечник с
пазами, в которых размещаются ОВ.
Пазы и соответственно волокна
располагаются по геликоиде, и
поэтому они не испытывают
продольного воздействия на разрыв.
Такие кабели могут содержать 4, 6, 8 и
10 волокон. Если необходимо иметь
кабель большой емкости, то
применяется несколько первичных
модулей.
Кабель
ленточного типа состоит из стопки
плоских пластмассовых лент, в
которые вмонтировано определенное
число ОВ. Чаще всего в ленте
располагается 12 волокон, а число
лент составляет 6, 8 и 12. При 12 лентах
такой кабель может содержать 144
волокна.
В
оптических кабелях кроме ОВ,
как правило, имеются следующие
элементы:
- силовые
(упрочняющие) стержни,
воспринимающие на себя продольную нагрузку, на разрыв;
- заполнители
в виде сплошных пластмассовых
нитей;
- армирующие
элементы, повышающие стойкость
кабеля при механических
воздействиях;
- наружные
защитные оболочки,
предохраняющие кабель от
проникновения влаги, паров
вредных веществ и внешних
механических воздействий.
В России
изготавливаются различные типы и
конструкций ОК. Для организации
многоканальной связи применяются в
основном четырех- и
восьмиволоконные кабели.
Представляют
интерес ОК французского
производства (рис.6). Они, как
правило, комплектуются из
унифицированных модулей, состоящих
из пластмассового стержня диаметром 4 мм с ребрами по
периметру и десяти ОВ,
расположенных по периферии этого
стержня. Кабели содержат 1, 4, 7 таких
модулей. Снаружи кабели имеют
алюминиевую и затем полиэтиленовую
оболочку.
Рис.
6. Конструкции оптических кабелей
французского производства:
а
— 10-волоконный модуль; б —
70-волоконный кабель; 1 — оптические
волокна; 2 — фигурный сердечник;
3 —
силовой элемент; 4 — пластмассовая лента; 5—модуль на десять волокон; 6
— алюминиевая оболочка;
7—полиэтиленовая оболочка
Американский
кабель, широко используемый на ГТС,
представляет собой стопку плоских
пластмассовых лент, содержащих по 12
ОВ. Кабель может иметь от 4 до 12 лент,
содержащих 48— 144 волокна (рис.7).
Рис.
7. Американский кабель плоской
конструкции:
а—лента
с 12 волокнами; б—сечение кабеля;
в—общий вид кабеля; 1—оптическое
волокно; 2—полиэтиленовая лента;
3—стопка лент из 144 волокон; 4—
защитное покрытие; 5 — внутренняя полиэтиленовая оболочка; 6 —
пластмассовые ленты; 7 — силовые
элементы; в — полиэтиленовые
оболочки
На (рис.8)
показан японский ОК с алюминиевой
оболочкой и наружным
полиэтиленовым шлангом.
Рис.
8. Японский оптический кабель:
1 —
оптические волокна; 2—медный
силовой элемент; 3 — демпфирующее
покрытие; 4—наружная оболочка
В Англии
построена опытная линия электропередачи с фазными
проводами, содержащими ОВ для,
технологической связи вдоль ЛЭП.
Как видно из (рис.9), в центре провода
ЛЭП располагаются четыре ОВ.
Рис.
9. Оптический кабель, встроенный в
фазный провод ЛЭП:
1 —
оптические волокна; 2 — защитное
покрытие; 3 — проводники ЛЭП
Применяются также подвесные ОК (рис.10). Они имеют
металлический трос, встроенный в
кабельную оболочку. Кабели
предназначаются для подвески по
опорам воздушных линий и стенам
зданий.
Рис.
10. Подвесной оптический кабель с
встроенным тросом:
1—оптические
волокна; 2—стальной трос; 3 —
полиэтиленовая оболочка
Для подводной связи проектируются ОК,
как правило, с наружным броневым
покровом из стальных проволок
(рис.11). В центре располагается модуль с шестью ОВ. Кабель имеет
медную или алюминиевую трубку. По
цепи “трубка—вода” подается ток
дистанционного питания на
подводные необслуживаемые
усилительные пункты.
Рис.11.
Подводный оптический кабель:
а
— шестиволоконный модуль (3
варианта); б—подводный кабель;
1—оптический модуль; 2—шесть
оптических волокон; 3—силовой
элемент из стальной проволоки; 4 —
полиэтиленовая оболочка модуля; 5
—пластмассовые трубки;
6—заполнение компаундом;
7—стальная броня; 8 — медная или
алюминиевая трубка;
9—полиэтиленовый шланг
Оптические
кабели российского производства
Первое
поколение ОК, созданных в 1986—1988 гг.,
включает кабели городской (ОК-50),
зоновой (ОЗКГ) и магистральной
(ОМЗКГ) связи. Современные
требования развития связи
потребовали создания новых
усовершенствованных типов ОК
(второе поколение). Такими кабелями,
разработанными в период 1990—1992 гг.,
являются: ОКК—для городской связи
(прокладка в канализации), ОКЗ—для зоновой и ОКЛ—для линейной
магистральной связи.
Отличительные
особенности ОК второго поколения:
- переход
на волны 1,3 и 1,55 мкм;
- применение
одномодовых волокон;
- модульные
конструкции кабелей (каждый
модуль на 1, 2, 4 волокна);
- наличие
медных жил для дистанционного
электропитания;
- разнообразие
типов наружных оболочек
(стальные ленты, проволоки,
стеклопластик, полиэтилен,
оплетка);
- широкополосность
и большие длины
регенерационных участков.
Кабель ОКК
по сравнению с ОК-50 имеет меньшее
затухание, большие дальность связи
и широкополосность. Кабель ОКК
состоит из градиентных и
одномодовых волокон.
Новый
зоновый кабель ОКЗ имеет различные
типы оболочек, позволяющих
использовать его в различных
условиях эксплуатации (земля, вода,
подвеска).
Кабель
междугородной связи ОК.Л по
сравнению с предшествующим (ОМЗКГ)
обладает большей длиной
трансляционного участка и
позволяет применять наиболее
мощную систему передачи на 7680
каналов (“Сопка-5”).
Рассмотрим
конструкции отечественных ОК.
Кабель
городской связи типа ОК-50 содержит
четыре или восемь волокон (рис.12).
Волокна свободно расположены в
полимерных трубках. Скрутка —
повивная, концентрическая. В центре
размещен силовой элемент из
высокопрочных полимерных нитей.
Снаружи имеется, полиэтиленовая оболочка.
Рис.
12. Оптический кабель городской
связи ОК-50:
1 —
силовой элемент; 2 — пластмассовая трубка; 3 — волокно; 4 —
пластмассовая лента;
5—полиэтиленовая оболочка
Четырехволоконный
кабель ОК-4 имеет принципиально ту
же конструкцию и размеры, что и
восьмиволоконный, но только четыре
волокна в нем заменены
пластмассовыми стержнями.
Изготавливаются также кабели,
содержащие больше число волокон.
Городские кабели прокладываются в
телефонные канализации.
Кабель
городской связи типа ОКК,
прокладываемый в канализации,
содержит 4, 8 или 16 волокон (рис.13).
Кабель имеет градиентные волокна с
диаметром сердцевины 50 мкм (ОКК-50-01)
или одномодовые волокна с
диаметром сердцевины 10 мкм (ОКК-10-02).
Рис.
13. Оптический кабель городской
связи марки ОККС:
1 —
силовой элемент (стеклопластик); 2 —
оптическое волокно; 3 —
пластмассовая лента; 4 —
стеклопластиковые стержни;
5—полиэтиленовый шланг
Силовой
центральный элемент выполнен из
стеклопластиковых стержней или
стального троса, изолированного
полиэтиленом. Поверх наложена
скрутка из восьми оптических
модулей или корделей. В каждом
модуле может содержаться 1, 2 или 4
ОВ. Затем наложены фторопластная лента и полиэтиленовый шланг.
Кабели,
предназначенные для прокладки в
грунтах, зараженных грызунами или
подверженных механическим
воздействиям, имеют еще броневой
покров из стеклопластиковых
стержней, а
поверх него—полиэтиленовый шланг
(ОККС). Известны конструкции, в
которых вместо стержней
применяется оплетка (ОККО).
Для подводных речных переходов
применяется кабель в алюминиевой
оболочке с броневым покровом из
круглых стальных проволок и
полиэтиленовым шлангом (ОККАК). Для станционных вводов и монтажа
создан кабель ОКС.
Кабель
зоновой связи марки ОЗКГ (рис.14)
содержит восемь градиентных
волокон, расположенных в пазах
профилированного пластмассового
сердечника. Так как кабель
предназначен для непосредственной
прокладки в грунт, он имеет
защитный броневой покров из
стальных проволок диаметром 1,2 мм.
Дистанционное электропитание
регенераторов осуществляется по
четырем медным изолированным
проводникам диаметром 1,2 мм,
расположенным в броневом покрове
кабеля. Снаружи кабель имеет
полиэтиленовую оболочку.
Рис.
14. Оптический кабель зоновой связи
марки ОЗКГ:
1—
профилированный сердечник; 2 —
силовой элемент; 3 — волокно; 4 —
внутренняя пластмассовая оболочка;
5—стальная проволока; 6—наружная полиэтиленовая оболочка; 7—медный
проводник
Зоновый
кабель ОКЗ содержит четыре или
восемь многомодовых ОВ,
расположенных в четырех модулях
сердечника кабеля, покрытых
снаружи полиэтиленовой оболочкой
(см. рис.15). Кабель предназначен для прокладки в грунт, поэтому имеет
защитный броневой покров. Возможны
различные варианты брони: стальные
круглые проволоки (ОКЗК),
бронеленты (ОКЗБ),
стеклопластиковые стержни (ОКЗС),
стальная оплетка (ОКЗО).
Изготовляются также подводные
кабели с алюминиевой оболочкой и
круглой стальной броней (ОКЗАК).
Станционные кабели маркируются ОКС.
Рис.
15. Оптический кабель зоновой связи
марки ОКЗ:
1 —
силовой элемент; 2 — оптическое
волокно; 3 — медный проводник; 4 и 6 —
полиэтиленовая оболочка;
5—стальная броня
Дистанционное
электропитание регенераторов
осуществляется по четырем медным
изолированным проводникам
диаметром 1,2 мм, расположенным в
сердечнике кабеля.
Кабель
магистральной связи ОМЗКГ (рис.16)
содержит одномодовые волокна,
обеспечивающие многоканальную
связь на большие расстояния. Кабель
содержит четыре или восемь волокон,
расположенных в пазах
профилированного пластмассового
сердечника. Защитный покров
изготавливается в двух
модификациях: из стеклопластиковых
стержней или стальных проволок.
Снаружи имеется пластмассовая оболочка. Кабель предназначен для прокладки в грунт.
Рис.16.
Магистральный оптический кабель
марки ОМЗКГ:
1 —
профилированный сердечник; 2 —
волокно; 3 — силовой элемент; 4 —
внутренняя пластмассовая оболочка;
5 —
стеклопластиковые нити; 6 —
наружная полиэтиленовая оболочка
Магистральный
кабель ОКЛ изготавливается из
одномодовых волокон с сердцевиной
диаметром 10 мкм, имеет две
модификации: с медными
проводниками диаметром 1,2 мм для дистанционного питания регенераторов (рис.17) и без медных
проводников с питанием от местной
сети или автономных источников
теплоэлектрогенераторов (ТЭГ).
Рис.
17. Магистральный оптический кабель
марки ОКЛ:
1 —
оптическое волокно; 2 — оболочка
оптического модуля; 3 — центральный
силовой элемент из
стеклопластикового
стержня;4—оболочка; 5—медная жила;
6—изоляция медной жилы;
7—гидрофобное заполнение; 8 —
обмоточная лента; 9 — промежуточная оболочка из полиэтилена; 10—
подушка из крепированной бумаги; 11
— сталеленточная броня;
12—наружная защитная оболочка из
полиэтилена (с битумной подклейкой
к броне)
Центральный
силовой элемент выполнен из
стеклопластиковых стержней.
Наружный покров кабеля имеет
несколько разновидностей: для прокладки в канализации — это
полиэтиленовый шланг (марка ОКЛ),
для подземной прокладки—броневой
покров из стеклопластиковых
стержней (ОКЛС), стальных лент
(марка ОКЛБ), круглой проволоки
(ОКЛК).
Для подводных речных переходов создан
кабель с алюминиевой оболочкой и
круглопроволочной броней (ОКЛАК).
Для станционных вводов и монтажа
используется кабель ОКС.
Основные
оптические и физико-механические
свойства ОК отечественного
производства приведены в табл.1
Таблица 1
| Характеристика |
ОК-50
|
ОКК
|
ОЗКГ
|
ОКЗ
|
ОМЗКГ
|
ОКЛ
|
| Система
передачи |
“Соната-2”
|
ИКМ-4/5
|
“Сопка-3”
|
“Сопка-4”
|
“Сопка-4м”,
“Сопка-5”
|
| Число
цифровых каналов |
120
|
120,
480
|
480
|
480
|
1920
|
1920;
7680
|
 , мкм |
0,85
|
1,3
|
1,3
|
1,3
|
1,3
|
1,55
|
 ,
дБ/км |
3
|
0,7…1,0
|
0,7…
1,0
|
0,7…
1,5
|
0,7
|
0,3
|
 , МГц
км |
250…
500
|
1000
|
500…800
|
5000
|
5000
|
| Длина
регенерационного участка, км |
12
|
30
|
30
|
30
|
40
|
100
|
| Число
волокон |
4
и 8
|
4,
8, 16
|
4
и 8
|
4
и 8
|
4,
8, 16
|
4,
8, 16
|
| Тип волокна |
МОВ
|
ООВ
и МОВ
|
МОВ
|
МОВ
|
ООВ
|
ООВ
|
| Подземные |
d , мм Q , кг/км
P ,
Н
|
11…15
100…300
1200
|
12…18
110…320
300…3500
|
17
370
3000
|
18…20
406…445
—
|
12…18
130…400 1300…4000
|
14…18
140…404 1000…3500
|
| Подводные |
d , мм Q , кг/км
P ,
Н
|
—
—
—
|
24
1200
25000
|
—
—
—
|
20
1040
25000
|
—
—
—
|
25
1300
25000
|
| Строительная длина, км |
1…2
|
2
|
2
|
| Срок
службы, лет |
25
|
25
|
25
|
| Электропитание |
Местное
|
ДП
|
Автономное,
ДП
|
Примечание.
—коэффициет
широкополосноети; Q — масса; Р—разрывная прочность; ООВ—одномодовое, МОВ—
многомодовое оптическое волокно.
НАЗАД
ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА
ВПЕРЕД
|
