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) :

1. кабели повивной концентрической скрутки
2. кабели с фигурным сердечником
3. 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