Для чего нужны волоконно оптические переходы

Переходим с медного кабеля на оптоволокно: все за и против

Волоконно-оптический кабель сегодня активно применяется для передачи аудиовизуальных сигналов и данных на большие расстояния в широком спектре разнообразных AV, телекоммуникационных и сетевых приложений, превосходя по ряду характеристик кабель, использующий вместо оптических волокон медные жилы. Разбираемся в его основных преимуществах и недостатках.

Рынок оптической передачи данных все быстрее развивается и, согласно отчету консалтингового агентства Fior Markets, вырастет к 2025 году до $7,89 млрд, обеспечивая среднегодовой рост на уровне 11,7%. Основной триггер этого процесса — повсеместное внедрение различных версий конфигурации Fiber To The X (FTTx — оптическое волокно до точки X), а также повышение требований к пропускной способности сетей и безопасности личных данных.

Если сравнивать между собой два наиболее распространенных стандарта кабелей, то медный провод работает с электрическими сигналами, проходящими по металлическим жилам, в то время, как волоконно-оптический транслирует сигналы в световой форме, что требует применения устройств, осуществляющих преобразование электрических сигналов в свет и обратно. Как правило, источником света в подобной конструкции служит лазер или светодиоды, а устройствами преобразования — локальный передатчик и удаленный приемник. При этом для максимально качественной передачи амплитуда, частота и фаза света на всем пути прохождения по кабелю должны быть стабильны и не подвержены внешним колебаниям. Чем же такой подход, особенно учитывая необходимость применения для преобразования дополнительного оборудования, лучше классического медного кабеля?

Основные преимущества и недостатки перехода на волоконно-оптическую передачу данных:

Пропускная способность

При одинаковом диаметре кабеля волоконно-оптическое соединение способно обеспечить значительно более широкую полосу пропускания, чем медная витая пара, позволяя транслировать гораздо больше данных. Это значит, что один и тот же сигнал, например, 4K-видео за одинаковый промежуток времени по разным кабелям будет предаваться без потерь на разное расстояние и с разной скоростью.

Дальность и скорость передачи

Лазер, применяемый в волоконно-оптическом кабеле, движется со скоростью, составляющей примерно одну треть от скорости света. Электроны в медном кабеле движутся со скоростью менее 1% от скорости света. Столь внушительная разница накладывает свой отпечаток как на скорость передачи данных, так и на максимально допустимую дальность соединения. Стандартное расстояние, на которое способен передавать медный кабель, обычно не превышает 100 метров. Многомодовое оптоволокно позволяет увеличить это расстояние до 300 метров, а одномодовое, при правильном подборе остальных компонентов системы, до 10 км.

Помехозащищенность

Волоконно-оптический кабель не содержит металлических компонентов, в результате чего невосприимчив к электромагнитным и радиочастотным помехам и способен эффективно работать при экстремальных изменениях температуры и влажности, которые могут быть критичны для медного кабеля.

Безопасность

Отсутствие в волоконно-оптической технологии передачи электрических сигналов делает невозможным перехват пользовательских данных третьими лицами, а попытки физического доступа могут быть в кратчайшие сроки детектированы. Столь высокий уровень безопасности сделал оптику крайне популярной в государственных и банковских приложениях, для которых этот фактор критичен. Другим преимуществом отсутствия в кабеле электрического тока является полное решение проблем с короткими замыканиями, искрением и другими схожими неполадками, что делает их подходящими для использования на взрыво- и пожароопасных объектах, например, химических или нефтеперерабатывающих заводах.

Недостатки

Естественно, помимо преимуществ, есть у технологии и недостатки. Волоконно-оптический кабель, как правило, изготавливается из стекла, поэтому он более хрупок, чем медный, и требует более аккуратного обращения при монтаже и эксплуатации. За счет более сложной стыковки элементов кабельной инфраструктуры инсталляции с волоконно-оптическим соединением более трудны в реализации. Необходимость использования для трансляции данных приемников и передатчиков, осуществляющих преобразование сигналов из электрических в оптические и обратно, повышает стоимость самой инфраструктуры. Наконец, с увеличением дальности передачи повышается и рассеивание света, что требует для проектов, где нужно покрыть большое расстояние, применения лазеров с короткой длиной волны, которые сложнее и дороже в изготовлении. Соответственно, чем больше дальность, тем выше стоимость соединения.

Классификация

Волоконно-оптический кабель состоит из сердечника, включающего одну или несколько стеклянных нитей, по которым проходит световой сигнал, оплетки и различных защитных слоев. Кабель с одной жилой называется одномодовым, имеет меньший диаметр сердечника, составляющую 8-9 микрон, и использует длину волны (1310 нм или 1550 нм), что позволяет передавать сигналы на большие расстояния и с более высокой скоростью. Толщина жилы многомодового кабеля стандартна — 50 или 62,5 микрон, а длина волны может быть от 650 до 850 нм. Они классифицируются, как OM1/2/3/4, при этом OM1 и OM2 чаще всего построены на базе светодиодного источника света и покрыты оранжевой оболочкой, в то время, как OM3 и OM4 обычно используют лазеры VCSEL (поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором) с длиной волны 850 нм и покрыты оболочкой цвета морской волны. Одномодовые кабели классифицируются, как OS1 и OS2, но различия в них заключаются в конструкции самого кабеля, а не характеристиках оптического волокна. На цвет оплетки также могут влиять исполнение для внутренней и наружной эксплуатации и гибридная конструкция.

Источником света при оптоволоконной передаче может выступать как лазер, так и светодиоды. Они работают с длиной волны выше видимого диапазона, но ниже инфракрасного. В одномодовых кабелях применяются лазеры с большой длиной волны, а в многомодовых — лазеры или светодиоды с короткой длиной волны. Поверхностно-излучающие лазеры с вертикальным резонатором устанавливают в основном в многомодовых соединениях с длиной волны 850 нм, которые используются для передачи сигналов на расстояния до 500 метров. Лазеры Фабри-Перо чаще можно встретить в одномодовых волоконно-оптических кабелях с длиной волны 1310 нм и 1550 нм, предназначенных для передачи сигналов со скоростью до 1,25 Гб/с на большие дистанции, но не дальше, чем на 20 км. Лазеры с распределенной обратной связью характеризуются такой же длиной волны, как и Фабри-Перо, но могут передавать сигналы на расстояния до 40 км.

Дополняют все это гибридные кабели, в которых применена комбинация из волоконного и медного компонентов, называемые активными оптическими кабелями. Подобная конфигурация использует лазеры VCSEL для высокоскоростной передачи видеосигналов по многомодовому соединению, а медные жилы отвечают за передачу сигналов управления. Такие кабели популярны в соединениях, длина которых не превышает 100 метров, и превосходят по ряду ключевых характеристик классические медные кабели, уступая полностью волоконно-оптическим.

Удлинители

Широкий ассортимент удлинителей для передачи AV и KVM сигналов по оптоволоконным сетям на разное расстояние и с разной скоростью можно найти в ассортименте компании ATEN. Например, модель VE883 K1, построенная на базе поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором с длиной волны 850 нм, способна транслировать по многомодовому кабелю 4K-сигнал и управляющие команды, поступающие через порт HDMI, на дистанцию до 300 метров, а VE883K2 на базе лазера с распределенной обратной связью с длиной волны 1310 нм позволяет транслировать 4K-сигнал по одномодовому кабелю на дистанцию до 10 км. Модель VE882, также снабженная портом HDMI, подойдет для трансляции сигналов с разрешением 1080p@60 и управляющих команд ИК и RS-232 по одномодовому кабелю на расстояние до 600 метров.

Линейка CE объединяет устройства для работы не только с видеосигналами, для подачи которых предусмотрены порты DVI, но и с USB-данными и KVM-сигналами. Модель CE680 может передавать по одномодовому кабелю видео с разрешение WUXGA на расстояние до 600 метров, а CE690 — уже на 10 километров. Все удлинители представляют собой комплект из приемника и передатчика, выполненных в компактных корпусах. Также ATEN выпускает приемопередатчики в форм-факторе SFP, предназначенные для установки в материнские платы сетевых устройств. Например, модуль 2A-137G с лазером с длиной волны 1310 нм позволяет передавать по одномодовому кабелю сигналы на расстояние до 10 километров.

Читайте АВ Клуб в Telegram

Источник: www.avclub.pro

• Главная
• Статьи
• Переходим с медного кабеля на оптоволокно: все за и против

Одномодовый и многомодовый волоконно-оптический кабель: отличия и правила выбора

Волоконно-оптические системы связи ведут свою историю с 1960 года, когда был изобретен первый лазер. При этом само оптическое волокно появилось только 10 лет спустя, и сегодня именно оно является физической основой современного интернета.

Оптические волокна, применяемые для передачи данных, имеют принципиально схожее строение. Светопередающая часть волокна (ядро, сердечник или сердцевина) находится в центре, вокруг него располагается демпфер (который иногда называют оболочкой). Задача демпфера – создать границу раздела сред и не дать излучению покинуть пределы ядра.

И ядро, и демпфер изготавливаются из кварцевого стекла, при этом показатель преломления ядра несколько выше, чем показатель преломления демпфера, чтобы реализовать явление полного внутреннего отражения. Для этого достаточно разницы в сотые доли – например, ядро может иметь показатель преломления n₁=1.468, а демпфер – значение n₂=1.453.

Диаметр ядра одномодовых волокон составляет 9 мкм, многомодовых – 50 или 62.5 мкм, при этом диаметр демпфера у всех волокон одинаков и составляет 125 мкм. Строение световодов в масштабе показано на иллюстрации:

Ступенчатый профиль показателя преломления (step—index fiber)– самый простой для изготовления световодов. Он приемлем для одномодовых волокон, где условно считается, что «мода» (маршрут распространения света в ядре) одна. Однако для многомодовых волокон со ступенчатым показателем преломления характерна высокая дисперсия, вызванная наличием большого количества мод, что приводит к рассеиванию, «расползанию» сигнала, и в итоге ограничивает расстояние, на котором возможна работа приложений. Минимизировать дисперсию мод позволяет градиентный показатель преломления. Для многомодовых систем настоятельно рекомендуется использовать именно волокна с градиентным показателем преломления (graded—index fiber), в которых переход от ядра к демпферу не имеет «ступеньки», а происходит постепенно.

Основной параметр, характеризующий дисперсию и, соответственно, способность волокна поддерживать работу приложений на определенные расстояния – коэффициент широкополосности. В настоящее время многомодовые волокна делятся по этому показателю на четыре класса, от OM1 (которые не рекомендуется применять в новых системах) до наиболее производительного класса OM4.

Класс волокна

Размер ядра/демпфера, мкм

Коэффициент широкополосности,
режим OFL, МГц·км

Примечание

850 нм

1300 нм

OM1

Применяется для расширения ранее установленных систем. Использовать в новых системах не рекомендуется.

OM2

Применяется для поддержки приложений с производительностью до 1 Гбит/с на расстоянии до 550 м.

OM3

Волокно оптимизировано для применения лазерных источников. В режиме RML коэффициент широкополосности на длине волны 850 нм составляет 2000 МГц·км. Волокно применяется для поддержки приложений с производительностью до 10 Гбит/с на расстоянии до 300 м.

OM4

Волокно оптимизировано для применения лазерных источников. В режиме RML коэффициент широкополосности на длине волны 850 нм составляет 4700 МГц·км. Волокно применяется для поддержки приложений с производительностью до 10 Гбит/с на расстоянии до 550 м.

Одномодовые волокна делятся на классы OS1 (обычные световоды, используемые для передачи на длинах волн либо 1310 нм, либо 1550 нм) и OS2, которые можно применять для широкополосной передачи во всем диапазоне от 1310 нм до 1550 нм, поделенном на каналы передачи, или в даже более широком спектре, например, от 1280 до 1625 нм. На начальном этапе выпуска волокна OS2 маркировались обозначением LWP (Low Water Peak), чтобы подчеркнуть, что в них минимизированы пики поглощения между окнами прозрачности. Широкополосная передача в наиболее производительных одномодовых волокнах обеспечивает скорости передачи свыше 10 Гбит/с.

Одномодовый и многомодовый волоконно-оптический кабель: правила выбора

Учитывая описанные характеристики многомодовых и одномодовых волокон, можно привести рекомендации по выбору типа волокна в зависимости от производительности приложения и расстояния, на котором оно должно работать:

• для скоростей свыше 10 Гбит/с выбор в пользу одномодового волокна независимо от расстояния
• для 10-гигабитных приложений и расстояний свыше 550 м выбор также в пользу одномодового волокна
• для 10-гигабитных приложений и расстояний до 550 м также возможно применение многомодового волокна OM4
• для 10-гигабитных приложений и расстояний до 300 м также возможно применение многомодового волокна OM3
• для 1-гигабитных приложений и расстояний до 600-1100 м возможно применение многомодового волокна OM4
• для 1-гигабитных приложений и расстояний до 600-900 м возможно применение многомодового волокна OM3
• для 1-гигабитных приложений и расстояний до 550 м возможно применение многомодового волокна OM2

Стоимость оптического световода во многом определяется диаметром ядра, поэтому многомодовый кабель при прочих равных обходится дороже одномодового. При этом активное оборудование для одномодовых систем из-за использования в них мощных лазерных источников (например, лазер Фабри-Перо) стоит существенно дороже активки для многомода, где используются либо относительно недорогие лазеры поверхностного излучения VCSEL либо еще более дешевые светодиодные источники. При оценке стоимости системы необходимо учитывать затраты как на кабельную инфраструктуру, так и на активное оборудование, причем последние могут оказаться существенно больше.

На сегодняшний день сложилась практика выбора оптического кабеля в зависимости от сферы использования. Одномодовое волокно используется:

• в морских и трансокеанских кабельных линиях связи;
• в наземных магистральных линиях дальней связи;
• в провайдерских линиях, линиях связи между городскими узлами, в выделенных оптических каналах большой протяженности, в магистралях к оборудованию операторов мобильной связи;
• в системах кабельного телевидения (в первую очередь OS2, широкополосная передача);
• в системах GPON с доведением волокна до оптического модема, размещаемого у конечного пользователя;
• в СКС в магистралях длиной более 550 м (как правило, между зданиями);
• в СКС, обслуживающих центры обработки данных, независимо от расстояния.

Многомодовое волокно в основном используется:

• в СКС в магистралях внутри здания (где, как правило, расстояния укладываются в 300 м) и в магистралях между зданиями, если расстояние не превышает 300-550 м;
• в горизонтальных сегментах СКС и в системах FTTD (fiber—to—the—desk), где пользователям устанавливаются рабочие станции с многомодовыми оптическими сетевыми картами;
• в центрах обработки данных в дополнение к одномодовому волокну;
• во всех случаях, где расстояние позволяет применять многомодовые кабели. Хотя сами кабели обходятся дороже, экономия на активном оборудовании покрывает эти затраты.

Можно ожидать, что в ближайшие годы волокно OS2 постепенно вытеснит OS1 (его снимают с производства), а в многомодовых системах исчезнут волокна 62.5/125 мкм, поскольку их полностью вытеснят световоды 50 мкм, вероятно, классов OM3-OM4.

Тестирование одномодовых и многомодовых оптических кабелей

После монтажа все установленные оптические сегменты подлежат тестированию. Только измерения, проведенные специальным оборудованием, позволяют гарантировать характеристики установленных линий и каналов. Для сертификации СКС применяются приборы с квалифицированными источниками излучения на одном конце линии и измерителями на другом. Такое оборудование производят компании Fluke Networks, VIAVI, Psiber; все подобные устройства имеют предустановленные базы допустимых оптических потерь в соответствии с телекоммуникационными стандартами TIA/EIA, ISO/IEC и другими. Более протяженные оптические линии проверяют с помощью оптических рефлектометров, имеющих соответствующий динамический диапазон и разрешающую способность.

На этапе эксплуатации все установленные оптические сегменты требуют бережного обращения и регулярного использования специальных чистящих салфеток, палочек и других средств очистки.

Нередки случаи, когда проложенные кабели повреждают, например, при копке траншей или при выполнении ремонтных работ внутри зданий. В этом случае для поиска места сбоя необходим рефлектометр или другой диагностический прибор, основанный на принципах рефлектометрии и показывающий расстояние до точки сбоя (подобные модели есть у производителей Fluke Networks, EXFO, VIAVI, NOYES (FOD), Greenlee Communication и других).

Встречающиеся на рынке бюджетные модели предназначены в основном для локализации повреждений (плохих сварок, обрывов, макроизгибов и т д). Зачастую они не в состоянии провести детальную диагностику оптической линии, выявить все её неоднородности и профессионально создать отчет. Кроме этого, они менее надежны и долговечны.

Качественное оборудование – напротив надежно, способно диагностировать ВОЛС в мельчайших деталях, составить корректную таблицу событий, сгенерировать редактируемый отчет. Последнее крайне важно для паспортизации оптических линий, потому как иногда встречаются сварные соединения с настолько низкими потерями, что рефлектометр не в состоянии определить такое соединение. Но сварка ведь всё равно есть, и ее необходимо отобразить в отчёте. В этом случае программное обеспечение позволяет принудительно установить на рефлектограмме событие и в ручном режиме измерить потери на нем.

Многие профессиональные приборы также имеют возможность расширения функциональных возможностей за счет добавления опций: видеомикроскопа для инспектирования торцов волокон, источника лазерного излучения и измерителя мощности, оптического телефона и др.

Введение в волоконно-оптические кабели. Часть 1

История развития средств передачи информации является неотъемлемой частью истории развития общества, причем потребности в обмене информацией всегда превышали существующие технические возможности их удовлетворения. На протяжении всего предыдущего столетия связисты стремились повысить скорость передачи информации. Потребность в большем количестве передаваемой информации стала причиной перехода от телеграфа вначале к телефону, а затем – к радио. После этого встала задача передачи на более высоких частотах. Амплитудное модулирование позволяло передавать тысячи герц, частотное модулирование – миллионы, с развитием телевидения был освоен диапазон частот в сотни миллионов герц. Наконец в 60 годах началось освоение микроволнового диапазона (диапазона СВЧ), характеризующегося частотой в миллиарды герц. Именно в это время ведущим поставщикам телекоммуникационных услуг стало ясно, что технология высокочастотной радиосвязи, основанная на использовании медных кабелей, устаревает и не может справиться с бурным ростом потока информации. Возникла потребность в новом виде кабеля, способного передавать больше информации при меньшем объеме самого носителя информации. Поэтому сотрудники британской телефонной компании (Standard Telecommunications Laboratories Ltd.) д-р К.Ч.Чао и г-н Дж.А.Хоклхем предложили использовать волноводы из диэлектрического стекла, называемые теперь оптическим волокном, для оптической связи. У световых волн частота в 100 тысяч раз больше, чем у микроволн – впечатляющая разница! Но в то время никто еще не знал, как обуздать свет.

В 1960 году был изобретен лазер – идеальный источник света для оптической связи. Теперь ученым оставалось сделать специальные световоды для передачи оптических сигналов по кабелю. В это время об идее К.Ч.Чао и Дж.А.Хоклхема узнали в компании Corning, и начали активные исследования по созданию оптического волокна с низкими потерями. Успех пришел в 1970-х годах, когда было создано волокно с затуханием в 16 децибел. Именно этот год считается годом начала новой информационной эпохи – эры волоконно-оптической связи.

Развитие волоконно-оптических сетей связи характеризуется очень быстрым увеличением скорости передачи информации. Скорость передачи, достигнутая экспериментально в лабораторных условиях, и скорость передачи высоконадежных коммерческих сетей растут экспоненциально, удваиваются примерно каждые 2 года. Эта тенденция обеспечивается как неуклонным ростом скорости передачи информации по одному каналу, так и ростом числа одновременно передаваемых по одному волокну каналов в системах со спектральным разделением каналов. К середине 1990-х г.г. в нескольких национальных сетях были введены в эксплуатацию системы со скоростью передачи 2.5 Гб/с.

В настоящее время широко используются системы со скоростью передачи 10 Гб/с на один канал, внедряются системы со скоростью 40 Гб/с на один канал, ведутся работы по внедрению коммерческих систем со скоростью 160 Гб/с на один канал. В лабораторных экспериментах достигнуты скорости передачи информации 640 Гб/с и более на один спектральный канал.

Одновременно с увеличением скорости передачи информации неуклонно растет дальность передачи. Революционным событием в увеличении дальности передачи информации по волоконно-оптическим сетям явилось создание усилителей на волокне, легированном эрбием. В последнее время возрос интерес к рамановским (ВКР) усилителям, поскольку уровень шумов в них меньше, чем в эрбиевых усилителях, а полоса усиления определяется свойствами излучения накачки и не имеет физических ограничений. При использовании оптических усилителей длина ретрансляционного участка может быть увеличена до нескольких сотен или даже тысяч километров. Использование оптических усилителей особенно эффективно в системах передачи информации, использующих спектральное разделение каналов (WDM системах), т.к. в одном усилителе усиливаются все информационные каналы одновременно.

Большинство современных ВОЛС работает в третьем окне прозрачности (диапазон длин волн примерно 1530÷1560 нм), совпадающем с полосой усиления эрбиевых усилителей и с минимумом поглощения кварцевого волокна. Значительная часть одномодового волокна, используемого во всем мире, это так называемое обычное или стандартное волокно, длина волны нулевой хроматической дисперсии которого примерно 1300 нм. Такое волокно обладает значительной дисперсией (17 пс/км/нм) в третьем окне прозрачности. Большая величина хроматической дисперсии стандартного волокна вызывает значительные искажения световых сигналов и существенно ограничивает дальность действия систем передачи информации со скоростями более 1 Гбит/с. Так, при использовании узкополосного источника излучения с внешней модуляцией, дисперсионное ограничение дальности при скорости передачи 2,5 Гбит/с примерно равно 1000 км, а при увеличении скорости передачи информации до 10 Гбит/с дальность сокращается до 61 км.

Для ослабления влияния хроматической дисперсии разработаны специальные виды оптического волокна, обладающего малой величиной дисперсии. Некоторое время назад было создано волокно (DSF), обладающее нулевой дисперсией на длине волны в третьем окне прозрачности (~1550 нм). Однако вскоре выяснилось, что это волокно, получившее название волокна со смещенной дисперсией, не пригодно для работы в системах со спектральным разделением каналов из-за их сильного нелинейного взаимодействия, обусловленного эффектом четырехволнового смешения а также эффектами фазовой само- и кросс-модуляции. Поскольку наличия в волокне хроматической дисперсии величиной порядка нескольких пс/нм/км достаточно для эффективного подавления эффектов кроссмодуляции и четырехволнового смешения, позднее было разработано волокно (NZDSF), обладающее малой, но ненулевой хроматической дисперсией в рабочем диапазоне длин волн.

Мир вступил в третье тысячелетие, характеризующееся, с одной стороны, непрерывно растущими потребностями мирового сообщества в обмене информацией, а с другой – технической возможностью практически полностью их удовлетворить. Переход на оптические системы связи позволяет получить выдающиеся результаты в увеличении скорости передачи информации и в настоящее время происходит повсеместно. В наиболее развитых европейских странах (Швеция, Финляндия) реализуется программа «волокно в каждый дом».

Масштабы развития волоконно-оптической связи действительно поразительны. Мировое производство волоконных световодов в настоящее время составляет 60 млн. км/год, то есть каждую минуту в системах связи прокладываются более 100 км волоконных световодов. Все материки связаны между собой подводными волоконно-оптическими кабелями связи, общая длина которых достаточна, чтобы обмотать земной шар шесть раз.

Что касается скорости передачи информации по волоконно-оптическим линям связи, то, по образному определению академика Е.М. Дианова, мир вступил в информационную эпоху или тера-эру. В настоящее время при использовании спектрального уплотнения скорость передачи информации может достигать нескольких Тбит/с, что отмечалось на состоявшейся в Анахейме (США) конференции по волоконно-оптической связи OFC-2002.

В настоящее время экспериментальные системы со спектральным разделением каналов используют спектральную область 1530-1610 нм (ширина около 80 нм). Успехи в технологии производства оптического волокна позволили практически полностью убрать полосу поглощения, связанную с гидроксильными группами в стекле, и расширить область с оптическими потерями менее 0,3 дБ/км до примерно 500 нм (1200-1700 нм). Воспользовавшись достигнутыми на сегодняшний день значениями плотности расположения каналов 0.2 нм на канал и скоростью передачи информации по одному каналу 160 Гбит/с получаем общее число спектрально разделенных каналов 2500 и суммарную скорость передачи информации 400 Тбит/с.

Таким образом, волоконно-оптическая технология имеет гигантский потенциал развития, что позволяет производителям волоконно-оптических систем связи уверенно смотреть в будущее, полное света.

Конструкция волоконно-оптического кабеля должна предусматривать защиту волокна от различных повреждений. Это значит, что при проектировании кабеля волоконный световод должен размещаться так, чтобы на него, насколько это возможно, не оказывали воздействия вышеперечисленные факторы. При этом такая конструкция должна быть пригодна для практического использования. Проведенные многочисленные исследования привели к разработке специализированных конструкций кабелей, которые используются в зависимости от различных видов применения. Ниже перечисляются стандартные виды оптических кабелей связи, отличающиеся друг от друга областью применения и способом прокладки.

1. Кабель внутриобъектовой прокладки;

2. Кабель для прокладки в канализации, в т.ч. в пластмассовом трубопроводе;

3. Кабель для воздушной подвески, в т.ч. используемый в качестве провода или троса воздушной ЛЭП;

4. Кабель для прокладки в грунт, как в открытую траншею, так и бестраншейным способом

5. Подводный кабель, в т.ч. морской глубоководный кабель

2.1. Про волокно

Как известно, оптическое волокно состоит из сердцевины, оболочки и первичного покрытия. Именно в таком виде, как правило, оно и попадает на кабельное производство. Такое волокно неокрашенное, т.е. имеет светло-серый, натуральный цвет. Волокно после вытяжки и наложения первичного покрытия подвергают тесту на перемотку с натяжением. В процессе перемотки большой длины — несколько сот километров — из-за произвольного распределения трещин по длине волокно обрывается. В результате образуются отрезки волокна различной протяженности.

Рисунок 1. Оптическое волокно

У различных производителей разные стандарты на безобрывные длины, поставляемые на катушке. Так, фирма Corning поставляет волокно длиной 25.2 км. Разумеется, существуют и другие длины к поставке, отличающиеся как в большую, так и в меньшую сторону.

Рисунок 2. Катушка с оптическим волокном

Различные виды волокон имеют разные геометрические параметры. На сегодняшний день существуют различные международные рекомендации и стандарты, по которым изготавливается большинство часть волокон в мире. Часть этих стандартов действует и в России.

Наибольшее распространение получили документы двух организаций: ITU (МСЭ) и IEC (МЭК). Были выпущены следующие рекомендации ITU и стандарт IEC:

Определения и понятия, касающиеся одномодового волокна. Способы его тестирования

Многомодовое градиентное волокно 50/125 мкм

Принципы работы волоконно-оптического кабеля

Развитие телекоммуникационных сетей во всем мире в первую очередь основывается на использовании волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).

Волоконно-оптический кабель (ВОК), основой которого являются оптические волокна (ОВ), в настоящее время считается самой совершенной направляющей системой как для телекоммуникационных магистралей большой протяженности, так и для локальных сетей передачи данных. Объясняется это тем, что ОК по своим характеристикам значительно превосходят электрические кабели.

По сравнению с линиями, построенных на электрических кабелях связи, преимущества ВОЛС в следующем:

1. Широкая полоса пропускания кабеля (до сотен ГГц) позволяет получить существенно большее число каналов и трактов различного назначения по одному ОВ — пропускная способность по одному ОВ возможна до десятков Гбит/с.
2. Малая величина коэффициента затухания ОВ (до десятых долей дБ/км) позволяет увеличить длину ретрансляционного участка до сотен километров.
3. Малые габаритные размеры и масса ВОК облегчают их производство и прокладку.
4. Постоянное и непрерывное совершенствование технологии производства ВОК обеспечивает снижение их стоимости. В настоящее время стоимость кварцевого ОВ не превышает половины стоимости медной пары.
5. Отсутствие внешних электромагнитных воздействий и переходных помех между волокнами ВОК повышает качество и надежность передачи информации.
6. Практическое отсутствие внешнего электромагнитного излучения обеспечивает высокую скрытность связи, т. е. защищенность от несанкционированного доступа.
7. Постоянное совершенствование ВОСП по мере появления новых источников оптического излучения, оптических волокон, фотоприемников и оптических усилителей с улучшенными характеристиками позволяет наращивать пропускную способность существующих трактов.
8. Полная электрическая изоляция (оптическое волокно — диэлектрик) обеспечивает безвредность работы во взрывоопасных средах. Следовательно, улучшаются условия техники безопасности при строительстве и эксплуатации ВОЛС.
9. Отсутствие в конструкции ВОК цветных металлов.

Ближайшие семинары в нашем учебном центре

22 марта 2024 · 8 часов (1 дн.)

Измерения оптическим рефлектометром параметров ВОЛС

Москва · 2 места · 12000

25 марта 2024 · 40 часов (5 дн.)

Технадзор за строительством и ремонтом ВОЛС

Москва · 9 мест · 34000

25 марта 2024 · 72 часа (9 дн.)

Монтаж и измерения ВОЛС. Углубленный курс

Москва · 3 места · 57000

01 апреля 2024 · 32 часа (4 дн.)

Измерения параметров ЛКС ВОЛС

Москва · 3 места · 28000

01 апреля 2024 · 40 часов (5 дн.)

Монтаж и тестирование структурированных кабельных систем

Москва · 7 мест · 35000

05 апреля 2024 · 8 часов (1 дн.)

Измерения оптическим рефлектометром параметров ВОЛС

Москва · 9 мест · 12000

Некоторым недостатком современных ВОЛС можно назвать высокую стоимость интерфейсного и монтажного оборудования. Однако улучшение конструкции и повышение надежности оптических передатчиков, приемников и пассивных элементов линейного тракта позволяют постоянно снижать стоимость производства волоконно-оптической продукции, а совершенствование технологии монтажа ВОК и соединительных элементов, а также упрощение используемого оборудования приводят к существенному уменьшению трудоемкости строительно-монтажных работ.

Началом масштабного применения ВОК для задач связи в России следует считать реализацию крупнейшим оператором связи России —ПАО «Ростелеком» — проекта трансроссийской линии связи, национальной цифровой транспортной линии международной и междугородной оптической связи. Примерно с 1996 г. развитие магистральной и внутризоновых сетей ведется с применением ВОК, на этих сетях практически полностью прекратилось применение медножильных кабелей связи при новом строительстве.

На начальном этапе внедрения ВОК их поставки осуществлялись зарубежными компаниями, российские кабельные заводы не могли составить им конкуренцию. К 2000 году ситуация изменилась уже в пользу российских предприятий.

Дальнейшее развитие ВОЛС по мнению специалистов будет заключаться в разработке и внедрении в сетях ЕСЭ (Единая Сеть Электросвязи РФ) различного назначения новых волоконно-оптических технологий, направленных на повышение эффективности ВОЛС. На линиях дальней связи основное внимание по-прежнему будет уделяться повышению скорости передачи информации, увеличению длины регенерационных участков и повышению надежности. Широкое распространение получат промежуточные оптические усилители и методы волнового (спектрального) мультиплексирования. Большие надежды возлагаются на использование среднего инфракрасного диапазона. Применение новых материалов (фтористых стекол и других соединений) позволило изготовить ОК с затуханием не более 0,01 дБ/км.

Доминирующей особенностью развития волоконно-оптических технологий в местных и локальных сетях будет приближение ОВ к конечному пользователю сети (абоненту). Рост потребности в новых видах информационного обслуживания абонентов, а также совершенствование и постоянное снижение стоимости аппаратуры и средств коммутационной техники готовят окончательный переход сетей доступа на ОВ.

Сегодня и в ближайшей перспективе альтернативы ВОЛС нет.

Основной компонент ВОЛС: оптическое волокно

Основным элементом волоконно-оптического кабеля (ВОК) является волоконный световод. Волоконный световод, или, более привычно, оптическое волокно (ОВ) по которому осуществляется передача микронных длин волн, что соответствует диапазону частот 1014… 1015 Гц. Оптическое волокно, как правило, имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления n₁ и n₂.

Как передается сигнал по оптоволокну

Среда с более высоким значением показателя преломления называется оптически более плотной средой. В волокне такой средой является сердцевина, выполняющая роль среды распространения света. Показатель преломления оболочки, окружающей сердцевину немного меньше, чем у сердцевины и за счет этого на границе «сердцевина-оболочка» происходит отражение света. На этом эффекте основана передача информации по волокну.

Сердцевина ОВ — это центральная область ОВ, через которую передается основная часть оптической мощности сигнала. Диэлектрическим материалом для сердцевины и оболочки ОВ служит плавленый кварц (кварцевое стекло), чистый или с примесями химических элементов и их соединений, небольшие пропорции которых способствуют изменению оптических свойств плавленого кварца должным образом. Плавленый кварц — это аморфное, прозрачное вещество с химической формулой двуокиси кремния SiO₂. Если сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии, то оболочка — для создания лучших условий отражения на границе раздела сердцевина-оболочка, защиты сердцевины волокна от механических повреждений, а также для защиты от излучений энергии в окружающее пространство и поглощения нежелательного излучения извне. Снаружи располагается защитное покрытие для предохранения волокна от механических воздействий и нанесения расцветки.

Подробно о различиях видов ОВ читайте в наших материалах:

• Одномодовое и многомодовое оптическое волокно: отличия, характеристики, применение
• Типы и стандарты оптического волокна

Напомним, в чём состоит отличия SM и MM волокон.

На рис. 1 схематично показано строение MM-волокна и ход лучей в его сердцевине.

Рис. 1. Строение MM-волокна

Конструктивно такое волокно имеет сердцевину значительного диаметра (если сравнивать с оболочкой) — 50 мкм (первые марки MM-волокон имели диаметр сердцевины 62,5 мкм). Такая особенность обуславливает возбуждение в сердцевине целого набора световых пучков, так называемых «мод» излучения. Их большое количество приводит к появлению главного недостатка таких ОВ — межмодовой дисперсии сигнала, что ограничивает протяжённость линий связи, построенных на таких ОВ. Из-за дисперсии становится необходимым снижать частоту модулирующего излучения, что, в свою очередь, приводит к снижению скорости передачи сигнала. Протяжённость ВОЛС на «многомоде» ограничена 2-мя километрами. Но большой диаметр сердцевины делает возможным применения поверхностных лазеров, работающих в диапазоне длин волн от 800 до 1300 нм. Это значительно снижает стоимость оборудования и делает выгодным использование ВОК на основе ММ-волокон, если длина линии будет не более 2-х км. Передача в таких ОВ ведется на двух длинах волн — 850 нм и 1300 нм.

На рис. 2. показана схема работы SM-волокна.

Рис. 2. Строение SM-волокна.

Как видим, диаметр сердцевины выбран значительно меньшим. Обычно он составляет 8–10 мкм, что обеспечивает прохождение излучения в одномодовом режиме. Это позволяет добиться протяжённости линии связи до 1000 км и практически не влияет на ширину полосы передачи сигнала. А это в свою очередь делает возможной скорость передачи данных на одной несущей частоте до 10 Гбит/с. Но с такими ОВ усложняется и схема согласования излучателя с торцом волокна — требуется более высокая точность изготовления согласующих элементов. Это, а также более высокая стоимость самих лазеров (с торцевым излучением), приводит к удорожанию приёмо-передающих систем, а также повышению требований к качеству монтажа. Но большим плюсом одномодовых ОВ является то, что передача сигналов в них ведётся при необходимости на любых длинах волн в очень широком диапазоне — от 1260 нм до 1675 нм.

На рис. 3 показана диаграмма основной характеристики кварцевого ОВ — километрического затухания в зависимости от длины волны проходящего излучения.

Рис. 3. Затухание в кварцевом ОВ в зависимости от длины волны.

Условно небольшие диапазоны, в которых экспериментально полученные значения затуханий имели минимальные значения стали называть «окнами прозрачности» (I, II и III). Стандартными длинами волн для работы SM-волокон стали 1310 нм и 1550 нм. Вторая из них является самой выгодной с точки зрения минимизации потерь. У современных SM-волокон типичным значением затухания является на 1550 нм является α=0,2 дб/км.

Также на рис. 3 можно заметить локальное увеличение потерь между вторым и третьим окнами прозрачности (точнее, на λ=1383 нм). Этот всплеск называют «водяным пиком». Его появление связано с попаданием воды в структуру ОВ при его производстве. Вытягиваемое из расплавленной части заготовки, ОВ требует охлаждения и наиболее эффективно этот процесс реализуется с применением водяного пара. Частицы пара проникают в незастывшее волокно и вызывают дополнительное поглощение оптической мощности. Надо сказать, что современные SM-волокна (конкретно ОВ соответствующие стандарту ITU-T Rec.652D) лишены этого недостатка, так как современные технологии позволяют избежать попадания частиц воды в ОВ (если быть точнее, то поглощение вызывают ионы водорода, содержащиеся в воде).

Принципы передачи сигнала в современных ВОСП

Волоконно-оптической системой передачи (ВОСП) называется комплекс технических средств, обеспечивающий формирование каналов и трактов передачи с использованием в качестве направляющей среды оптического кабеля и передачей по нему оптических сигналов. Под оптическим сигналом понимается модулированное оптическое излучение определенной длины волны.

На рис. 4 показана обобщённая структурная схема волоконно-оптической системы передачи. Для простоты показана одно направление передачи данных. Встречная передача строится аналогично.

Рис. 4. Обобщённая структурная схема ВОСП.

Кратко рассмотрим основные технические комплексы, входящие в состав ВОСП.

Каналообразующее оборудование тракта передачи (КООпер) обеспечивает формирование определенного числа каналов или групповых трактов со стандартной требуемой скоростью передачи.

Оборудование сопряжения тракта передачи (ОСпер) необходимо для преобразования многоканального сигнала на выходе КООпер в сигнал, пригодный для передачи по линейному тракту и обеспечивающий высокое качество передачи информации.

Оптический передатчик (ОПер) обеспечивает преобразование электрического сигнала в оптический сигнал, длина волны которого совпадает с одним из окон прозрачности оптического волокна. В состав ОПер входят:

• источник оптического излучения (ИОИ) или оптической несущей;
• модулятор (М), с помощью которого один из параметров оптической несущей модулируется электрическим многоканальным сигналом, поступающим с ОСпер;
• согласующее устройство (СУпер), необходимое для ввода оптического излучения в оптическое волокно оптического кабеля с минимально возможными потерями.

Как правило, источник оптического излучения, модулятор и согласующее устройство образуют единый блок, называемый передающим оптоэлектронным модулем (ПОМ). Типичный ПОМ содержит ИОИ на основе полупроводникового лазера (ППЛ) или светоизлучающего диода (СИД), а также устройство преобразования входного электрического сигнала и схему стабилизации режимов работы активных элементов ПОМ.

Оптический кабель (ОК) содержит оптические волокна (ОВ), которые служат средой распространения оптического излучения.

Ретранслятор (Р) обеспечивает компенсацию затухания сигнала при его прохождении по ОВ, коррекцию различного вида искажений и обеспечение заданной помехозащищенности. Ретрансляторы могут быть обслуживаемыми или необслуживаемыми и устанавливаются через определенные расстояния, называемые ретрансляционными участками. В ретрансляторе может производиться обработка (усиление, коррекция, регенерация и т. д.) как электрического сигнала, который получается путем преобразования оптического сигнала и последующего преобразования скорректированного электрического сигнала в оптический, так и оптического сигнала с помощью оптических устройств. В последнем случае ретранслятор называется оптическим усилителем.

Оптический приемник (ОПр) обеспечивает прием оптического излучения и преобразование его в электрический сигнал. ОПр включает в себя:

• согласующее устройство (СУпр), необходимое для вывода оптического излучения из ОВ и ввода его в приемник оптического излучения с минимальными потерями;
• приемник оптического излучения (ПОИ), преобразующий оптический сигнал в электрический.

Совокупность согласующего устройства и приемника оптического излучения образует приемный оптоэлектронный модуль (ПРОМ). Типичный ПРОМ включает фотодетектор оптического излучения на основе p-i-n, или лавинных фотодиодов, электронные схемы обработки электрического сигнала и устройства стабилизации режимов работы активных элементов ПРОМ.

Оборудование сопряжения тракта приема (ОСпр) осуществляет преобразования обратные тем, которые выполнялись в ОСпер.

Каналообразующее оборудование тракта приема (КООпр) осуществляет преобразование многоканального сигнала с выхода ОСпр в сигналы отдельных типовых каналов и трактов.

Для модуляции оптической несущей многоканальным электрическим сигналом можно использовать частотную (ЧМ), фазовую (ФМ), амплитудную (АМ), поляризационную (ПМ) модуляции, модуляцию по интенсивности (МИ) и др.

При модуляции интенсивности (МИ) именно величина P изменяется в соответствии с модулирующим сигналом. Обладая волновой природой, оптическое излучение в то же время является дискретным. Оно излучается и поглощается только в виде дискретных квантов — фотонов. Поэтому мощность оптического излучения P характеризуется интенсивностью потока фотонов (средним числом в единицу времени). Можно считать, что при модуляции интенсивности модулируется интенсивность потока фотонов.

Именно МИ нашла самое широкое применение при построении волоконно-оптических систем передачи, так как приводит к относительно простым техническим решениям при реализации устройств управления (модуляции) интенсивностью излучения полупроводниковых источников и обратного преобразования оптического сигнала в электрический, т. е. демодуляции.

Разумеется, показанная выше схема является очень общей, то есть, относится к любым ВОЛС с теми или иными различиями.

Задавшись целью классифицировать ВОСП, как и традиционные системы, работающие по электрическим кабелям связи, можно это сделать следующим образом.

В зависимости от каналообразующего оборудования:

• аналоговые волоконно-оптические системы передачи, в которых каналообразующее оборудование строится на основе аналоговых систем передачи с частотным разделением каналов (ЧРК) и соответственно аналоговых методов модуляции параметров несущей частоты (амплитудная, частотная, фазовая модуляции и их комбинации) или параметров периодической последовательности импульсов (амплитудно-импульсная, широтно-импульсная, фазоимпульсная модуляции и их комбинации);
• цифровые волоконно-оптические системы передачи, в которых каналообразующее оборудование строится на основе импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), дельта-модуляции и их разновидностей; самое широкое применение находят цифровые ВОСП на основе ИКМ с временным разделением каналов.

Отметим, что на ранних этапах развития волоконно-оптической техники связи проводились научно-исследовательские работы по разработке аналоговых ВОСП, которые показали, что практическая реализация таких систем с большим числом каналов связана с непреодолимыми техническими трудностями.

Во-первых, это связано с высоким уровнем квантовых шумов и собственных шумов фотодиодов, используемых в приемниках оптического излучения. Уровень квантового шума в оптическом диапазоне значительно выше уровня собственной помехи. Для получения необходимого качества передачи сообщений в аналоговых системах требуются специальные методы приема и обработки аналоговых оптических сигналов, а при использовании цифровых системы то же качество передачи обеспечивается при снижении требований к отношению сигнал/шум на 30. . . 40 дБ. Поэтому реализация цифровых ВОСП намного проще по сравнению с аналоговыми ВОСП.

Во-вторых, источники оптического излучения имеют нелинейные модуляционные характеристики, что приводит к существенным трудностям в реализации требований к допустимым помехам нелинейного происхождения. При выполнении этих требований длина усилительного участка аналоговой ВОСП оказывается соизмеримой с длиной усилительного участка систем передачи по симметричным или коаксиальным кабелям. В связи с этим применение аналоговых ВОСП оказывается нецелесообразным по технико-экономическим показателям, особенно учитывая принятый мировым сообществом курс на «цифровизацию» телекоммуникаций.

В настоящее время все многоканальные телекоммуникационные системы передачи по оптическим кабелям являются цифровыми. Поэтому объектом дальнейшего рассмотрения являются исключительно цифровые ВОСП.

В зависимости от организации двусторонней связи ВОСП подразделяются на:

• двухволоконные однополосные однокабельные, в которых передача и прием оптических сигналов ведется по двум оптическим волокнам (ОВ) на одной длине волны λ. При этом каждое ОВ является эквивалентом двухпроводной физической цепи. Так как взаимные влияния между оптическими волокнами кабеля отсутствуют, то тракты передачи и приема различных систем организуются по одному кабелю, что характерно для любой схемы организации двусторонней связи;
• одноволоконные однополосные однокабельные, особенностью которых является использование одного оптического волокна для передачи сигналов в двух направлениях на одной и той же длине волне λ;
• одноволоконные двухполосные однокабельные, в которых передача в одном направлении ведется на длине волны оптического излучения λ1, а в обратном — λ2.

В зависимости от назначения и места в иерархии первичных сетей Единой сети электросвязи Российской Федерации (ЕСЭ РФ) ВОСП подразделяются:

• на магистральные ВОСП, предназначенные для передачи сообщений на тысячи километров и соединяющие между собой центры республик, краев, областей, крупные промышленные и научные центры и др.;
• зоновые или внутризоновые ВОСП, предназначенные для организации связи в административных пределах республик, краев и областей;
• ВОСП для местных сетей, предназначенные для организации межстанционных соединительных линий на городских и сельских телефонных сетях.

Кроме того, цифровые ВОСП можно классифицировать по специфическим параметрам, характерным только для них. Например, в настоящее время очень широко применяется технология спектрального уплотнения каналов с разделением по длинам волн — WDM (Wavelength Division Multiplexing). Эта технология, имеющая несколько разновидностей, подразумевает передачу не одного, а нескольких сигналов по одному волокну линейной части ВОСП — при этом сигналы, чтобы оставаться независимыми, должны иметь различные длины волн. В частности, самым простым случаем уплотнения будет передача по ОВ двух сигналов с λ=1310 нм и λ=1550 нм. В этом случае получаем два канала связи (встречнонаправленные) в одной физической среде. Такие системы очень часто применяются в местных сетях.

Другой разновидностью является CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) — разреженное (или грубое) мультиплексирование. Тут используется весь рабочий диапазон кварцевых одномодовых волокон от 1260 нм до 1675 нм. Как правило, используются ВОК с волокнами стандарта G.652D. Передаются сигналы, модулированные излучением на длинах волн, имеющих шаг 20 нм. Например, 1270 нм, 1290 нм и т. д. Таким образом, по одному ОВ в линейной части могут сразу же передаваться до 16 отдельных потоков данных. Эти, достаточно простые для реализации, настройки и обслуживания системы очень популярны в городских и внутризоновых линиях связи.

И, наконец, самой производительной и сложной является разновидность DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) — плотное мультиплексирование с разделением по длинам волн. В этом случае разделение идёт с шагом менее 1 нм (в зависимости от подвида оборудования), что позволяет добиться реализации до 96 (!) каналов в одном волокне линейного тракта. Эту технологию широко применяют при строительстве магистральных линий связи, когда протяжённость участков регенерации составляет 100 и более км.

При описании принципиальных различий линий связи мы использовали термин волоконно-оптические системы передачи (ВОСП). Но в дальнейшем, и это будет случаться чаще, мы будем использовать термин волоконно-оптические линии связи, поскольку это понятие имеет более широкий смысл, включая в себя не только аппаратуру и среду для передачи сигнала, но и всё сопутствующее оборудование и приспособления, которые используются при строительстве — кроссы, станционные шкафы, сами помещения, опоры ВЛ и прочее. Таким образом, определение «ВОЛС» более полновесно и удобно.

Применение волоконно-оптического кабеля

Как уже знаем, основной характеристикой ВОЛС считается величина затухания мощности сигнала, который в ней передаётся. За затухание в ОВ отвечают два явления — рассеяние светового излучения и поглощение этого излучения материалом волокна. Суммарно они формируют определенное значение километрического затухания, характерного для любого SM-волокна. Т. е. изначально при проектировании ВОЛС мы уже знаем величину этого самого затухания, поскольку можем подсчитать, сколько децибел мощности потеряется в самом ОВ и на его соединениях. Однако, к сожалению, есть ещё одна причина увеличения потерь, которая может появиться в самый неподходящий момент — изгибные потери.

На рис. 5 схематично показано, как могут распространяться лучи света в изогнутой сердцевине.

Рис. 5. Появление оптических потерь на изгибе ОВ.

В месте изгиба часть светового потока будет падать на границу раздела сердцевины и оболочки под недопустимым углом, при котором не будет выполняться условие полного внутреннего отражения. Излучение частично будет переходить в оболочку, а это равносильно потере части полезного сигнала.

Различают понятия микроизгиб и макроизгиб. Микроизгиб относится к непрямолинейности формы ОВ внутри кабеля. ОВ находятся в модулях в свободном (извилистом) состоянии, а сами модули — в виде скрутки. Макроизгиб — это ОВ, изогнутое в виде дуги.

Потери на макроизгибах резко возрастают и становятся недопустимо большими, как только радиус изгиба уменьшается до критического значения, которое для типичных ОВ составляет несколько сантиметров. Конкретно, в «Правилах применения оптических кабелей связи, пассивных оптических устройств и устройств для сварки оптических волокон» утвержденных приказом Министерства информационных технологий и связи Российской Федерации №47 от 19 апреля 2006 г. увидим следующее требование — допустимый радиус изгиба ОВ (любого типа) должен быть не менее 30 мм. Это требование нужно выполнять всегда, когда мы работаем с волокном, например, при его сварке.

Если же говорить о кабеле в целом, то здесь тоже необходимо придерживаться строгого правила по допустимому радиусу изгиба. В «Правилах применения оптических кабелей связи, пассивных оптических устройств и устройств для сварки оптических волокон» есть и это значение — радиус изгиба ВОК должен быть не менее 20 наружных диаметров этого кабеля. Для примера, внешний диаметр кабеля — 12 мм, минимальный радиус изгиба равен 240 мм. Делаем вывод, что минимальный радиус изгиба ОК зависит от его внешнего диаметра.

Это правило носит общий характер, для более точного ознакомления со всеми требованиями к конкретной разновидности кабеля при его монтаже и эксплуатации рекомендуем пользоваться инструкциями, разработанными производителем. Например, для продукции «Инкаб» смотрите инструкции по ссылке: https://incab.ru/useful-information/documents/#!instructions

Также при проектировании ВОЛС необходимо предусматривать конструктивные элементы, ограничивающие до необходимых пределов радиус изгиба.

Деформация ОВ при изготовлении кабеля (микроизгибы, скрутка, сжатие) является другой причиной появления дополнительных потерь. При соответствующем выборе кабельных материалов, конструкции и технологии изготовления ВОК эти потери в многомодовых и одномодовых ОВ составляют не больше 20% от полных потерь. Дополнительные потери мощности практически постоянны в диапазоне длин волн 800…1700 нм.

Во избежание увеличения этих потерь необходимо правильно использовать ВОК, причём делать это необходимо ещё до начала прокладки.

Например, на рис. 6 видим, как нельзя хранить кабельные барабаны.

Рис. 6. Кабельный барабан, лежащий на «щеке».

Многие удивятся, почему такой способ размещения назван неправильным. Однако, есть множество подтверждений тому, что подобное положение барабана неизбежно приведёт к сползанию верхних и сдавливанию нижних колец ВОК, а это, в свою очередь, приведёт к сдавливанию ОВ. Причём, чем дольше так лежит барабан, тем заметнее и необратимее будет деформация кабеля. А на ОВ уже проложенного кабеля с такого барабана сможем обнаружить недопустимо возросшие километрические затухания.

При строительстве и эксплуатации оптических кабельных линий возможно появление так называемых эксплуатационных потерь. Прежде всего эти потери связаны с макроизгибами, которые неизбежно возникают при прокладке ОК. Другая причина — постепенное увеличение собственных потерь ОВ. Основной причиной постепенного увеличения собственных потерь ОВ является влага, проникающая в ВОК. Под ее действием, в случае замерзания, происходит образование микротрещин в структуре ОВ, которые визуально воспринимаются как помутнение стекла. Для защиты от влаги производители применяют влагозащитные оболочки и гидрофобное заполнение.

К сожалению, не всегда усилия производителя ВОК, направленные на защиту их продукции от воздействия окружающей среды гарантируют сохранность кабеля на протяжении всего срока эксплуатации. Иногда, и не так уж и редко, можно встретить нарушения технологии прокладки ВОК, которые приводят к появлению дополнительных потерь. Причём это могут быть как устранимые нарушения, так и необратимые — речь идёт о трещинах в ОВ, а их появление неизбежно приводит к самому критическому состоянию линии связи — к обрыву.

Как избежать подобных проблем? Перечислим требования к ВОК:

• возможность прокладки в тех же условиях, в каких прокладываются электрические кабели связи;
• возможность сращивания и монтажа в полевых условиях;
• устойчивость к внешним механическим и климатическим воздействиям в процессе строительства и эксплуатации;
• эксплуатационная надежность с заданными показателями безотказности, долговечности и ремонтопригодности и др.

Классификация волоконно-оптических кабелей связи

Конструкции ВОК в основном определяется назначением и областью их применения. Они различаются видом защитных покровов ВОК, характером компоновки ОВ в составе кабельного сердечника, характером и способом упрочнения ВОК от продольных и радиальных воздействий.

По своему назначению ВОК подразделяются по месту в первичной сети ЕСЭ РФ на:

• магистральные;
• зоновые (внутризоновые);
• местные (городские, районные);
• объектовые и монтажные.

Магистральные и зоновые ВОК предназначаются для передачи информации на большие расстояния и организации большого числа каналов. Они содержат ОВ, обладающие большой широкополосностью, малыми затуханием и дисперсией.

Местные ВОК используются в качестве соединительных линий между городскими и районными АТС. Они рассчитаны на работу без промежуточных регенераторов, т. е. на сравнительно короткие расстояния (до нескольких десятков км) и относительно небольшое число каналов.

Объектовые ВОК служат для передачи различной информации на малые расстояния внутри объекта и содержат, как правило, большое число ОВ.

Монтажные ВОК предназначаются для внутри- и межблочного монтажа аппаратуры.

В зависимости условий прокладки и эксплуатации ВОК подразделяются на:

• ВОК для наружной прокладки;
• ВОК для внутренней прокладки.

Кабели наружной прокладки применяются на любых (сельских, городских, зоновых и магистральных) линиях связи и по условию прокладки их можно разделить на подвесные, подземные, подводные.

Подвесные ВОК

Подвесные кабели подвешиваются на опорах различного типа и в свою очередь подразделяются на кабели:

• самонесущие — с несущим тросом или без него, подвешиваемые на опорах различного типа, в том числе на опорах ЛЭП и контактной сети железных дорог;
• прикрепляемые — крепятся к несущему проводу с помощью специальных зажимов;
• навиваемые — навиваются вокруг несущего, например, фазового, провода или грозотроса;
• встраиваемые в грозотрос (ОКГТ).

Это, пожалуй, самая уязвимая разновидность прокладки, тут кабелю угрожает много разных внешних факторов.

Более подробно о разных нарушениях и их последствиях рассказано в статье, посвящённой подвесному кабелю: Особенности монтажа ОКСН

Для наглядности такой пример:

Рис. 7. Разрушение кабеля неправильно смонтированным гасителем вибрации.

Всевозможных ухудшений состояния ВОЛС, проложенной методом подвеса, можно избежать, если:

1. Cтроительство ВОЛС ведётся по проекту, разработанному квалифицированным проектировщиком, учтены все эксплуатационные нагрузки, правильно подобрана арматура и т. д.
2. Монтаж ВОК, муфт, арматуры и пр. ведётся по инструкции.

Грунтовые ВОК

Кабели подземной прокладки подразделяются:

• на прокладываемые в кабельной канализации (в асбестоцементных или пластмассовых трубах диаметром – несколько ВОК в одной трубе);
• закладываемые в грунт (непосредственно в грунт, в полотне железной дороги, в асфальте автомобильной дороги);
• прокладки в специальных трубах, например, ЗПТ.

Основными видами угроз в данном случае будут смещения грунтов различной природы (эрозия почвы, вымывание грунтовыми водами, вечномерзлотные процессы и т. п.). В случае непосредственного воздействия на кабель, грунт может создавать изгибную и раздавливающую нагрузку чрезвычайных значений и это необходимо учесть заранее — при выборе кабеля нужно руководствоваться рекомендованными значениями МДРН и допустимой раздавливающей нагрузки кабеля для каждого типа грунта (табличное значение). При прокладке кабеля в грунт необходимо формировать песчаную подушку, а сам кабель должен быть уложен в виде «змейки». Ну и наконец, стараться не повредить ВОК при прокладке. Как, например, на рис. 8.

Рис. 8. «Баран» на кабеле.

Подобное случается, если кабель затягивается (как правило, чаще это случается при прокладке в кабельной канализации) без разматывания бухты — иногда условия не позволяют этого сделать и кабель просто скидывается с бухты кольцами.

Подводные ВОК

Подводные кабели подразделяются:

• на укладываемые на дно несудоходных рек, неглубоких озер и болот;
• укладываемые на дно морей и океанов.

В случае подводной прокладки необходимо знать глубину окончательного залегания ВОК и выбрать марку с соответствующими прочностными характеристиками.

Внутриобъектовые ВОК

Кабели внутренней прокладки используются внутрителефонных станций, офисов, зданий и помещений. По условиям прокладки эти кабели подразделяются:

• на кабели вертикальной («riser») и горизонтальной («distribution») прокладки;
• шнуры коммутации.

Во избежание появления дополнительных потерь, необходимо правильно подобрать марку ВОК под соответствующие условия его прокладки. Нельзя, например, прокладывать кабель типа «riser» в горизонтальной плоскости — на поворотах трассы неизбежно появление заломов на его жёсткой оболочке. Кабель типа «distribution» не должен быть пережат или сдавлен. При коммутации оборудования оптическими шнурами не допускать ситуации, напоминающей изображённую на рис. 9.

Рис. 9. «Мочалка» из патч-кордов.

Таким образом, именно соблюдение инструкций по работе с ВОК, с оптическими муфтами и прочим монтажным оборудованием обеспечит выполнение требования к минимальному сроку службы проложенного ВОК, указанному в «ГОСТ Р 52266-2020. Кабели оптические. Общие технические условия», пункт 6.5 Требования надежности. Согласно этим требованиям срок службы оптоволоконного кабеля должен быть не менее 25 лет.