Оптоволоконные кабели — устройство, виды и характеристики

В оптоволоконных кабелях, в отличие от кабелей с медными или алюминиевыми жилами, в качестве среды для передачи сигнала используется прозрачный волоконный световод. Сигнал здесь передается не с помощью электрического тока, а с помощью света. Это значит, что движутся практически не электроны, а фотоны, соответственно и потери при передаче сигнала оказываются пренебрежимо малы.

Данные кабели идеальны в качестве средства передачи информации, ведь свет способен проходить по прозрачному стекловолокну практически беспрепятственно на десятки километров, при этом интенсивность света уменьшается незначительно.

Бывают GOF-кабели (англ. glass optic fiber cable) — со стеклянным волокном, а также POF-кабели (англ. plastic optic fiber cable) — с прозрачным пластиковым волокном. И те и другие традиционно называются оптоволоконными или волоконно-оптическими кабелями.

Устройство оптоволоконного кабеля

Оптоволоконный кабель имеет достаточно простое устройство. В центре кабеля расположен световод из стекловолокна (его диаметр не превышает 10 мкм) облаченный в защитную пластиковую или стеклянную оболочку, обеспечивающую полное внутреннее отражение света за счет разности коэффициентов преломления на границе двух сред.

Получается что свет, на всем своем пути от передатчика к приемнику, не может выйти из центральной жилы. К тому же свету не страшны электромагнитные помехи, поэтому такой кабель не нуждается в электромагнитном экранировании, а нуждается лишь в упрочнении.

Для придания оптоволоконному кабелю механической прочности, применяют особые меры — делают кабель бронированным, тем более когда речь заходит о многожильных оптических кабелях, несущих сразу несколько отдельных световодов. Кабели для подвесного монтажа требуют особого упрочнения металлом и кевларом.

Самая простая конструкция оптоволоконного кабеля — стеклянное волокно в пластиковой оболочке. Более сложная конструкция — многослойный кабель с упрочняющими элементами, например для прокладки под водой, под землей или для подвесного монтажа.

В многослойном броневом кабеле несущий упрочняющий трос изготовлен из заключенного в полиэтиленовую оболочку металла. Вокруг него располагаются светонесущие пластиковые или стеклянные волокна. Каждое отдельное волокно покрыто слоем цветного лака в качестве цветовой маркировки и для защиты от механических повреждений. Пучки волокон облачены в пластиковые трубки, заполненные гидрофобным гелем.

В одной пластиковой трубке может находиться от 4 до 12 таких волокон, в то время как общее количество волокон в одном таком кабеле может доходить до 288 штук. Трубки оплетены нитью, стягивающей пленку, смоченную гидрофобным гелем — для большего демпфирования механических воздействий. Трубки и центральный кабель заключены в полиэтилен. Далее идут кевларовые нити, практически и обеспечивающие многожильному кабелю броню. Потом снова полиэтилен для защиты от влаги, и наконец внешняя оболочка.

Два основных типа оптоволоконных кабелей

Оптоволоконные кабели есть двух типов: многомодовый и одномодовый. Многомодовый стоит дешевле, одномодовый — дороже.

Одномодовый кабель обеспечивает лучам, проходящим по световоду, практически один и тот же путь без существенных взаимных отклонений, в итоге на приемник все лучи приходят одновременно и без искажений формы сигнала. Диаметр световода в одномодовом кабеле составляет около 1,3 мкм, и свет именно с такой длиной волны следует по нему передавать.

По этой причине в качестве передатчика используется источник лазерного излучения с монохроматическим светом строго требуемой длины волны. Именно кабели данного типа (одномодовые) рассматриваются сегодня как наиболее перспективные для коммуникаций на значительные расстояния в будущем, но пока они дороги и недолговечны.

Многомодовый кабель менее «точен», чем одномодовый. Лучи от передатчика идут в нем с разбросом, и на стороне приемника имеется некоторое искажение формы передаваемого сигнала. Диаметр световодного волокна в многомодовом кабеле составляет 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки 125 мкм.

Здесь используется обычный (а не лазерный) светодиод на стороне передатчика (с длиной волны 0,85 мкм), и оборудование получается не таким дорогим как с лазерным источником света, да и срок службы у нынешних многомодовых кабелей дольше. Кабели данного типа не превышают по длине 5 км. Типовое время задержки сигнала при передаче составляет порядка 5 нс/м.

Достоинства оптоволоконных кабелей

Так или иначе, оптоволоконный кабель принципиально отличается от обычных электрических кабелей исключительной помехозащищенностью, что обеспечивает максимальную сохранность как целостности, так и конфиденциальности передаваемой по нему информации.

Электромагнитная помеха, направленная на оптоволоконный кабель, не способна исказить световой поток, да и сами фотоны не порождают внешнего электромагнитного излучения. Без нарушения целостности кабеля невозможно перехватить передаваемую по нему информацию.

Полоса пропускания оптоволоконного кабеля теоретически составляет 10^12 Гц, что не идет ни в какое сравнение с токонесущими кабелями любой сложности. Можно легко передавать информацию со скоростью до 10 Гбит/с на километры.

Сам по себе оптоволоконный кабель стоит не дорого, почти так же, как тонкий коаксиальный кабель. Но основная доля удорожания готовой сети все же приходится на передающее и приемное оборудование, задача которого — преобразовать электрический сигнал в свет и обратно.

Затухание светового сигнала при прохождении через оптоволоконный кабель локальной сети не превышает 5 дБ на 1 километр, то есть почти такое же как у электрического сигнала низкой частоты. При том чем выше частота — тем выраженнее оказывается преимущество оптической среды перед традиционными электрическими проводниками — затухание растет незначительно. А на частотах выше 0,2 ГГц оптоволоконный кабель однозначно оказывается вне конкуренции. Практически возможно довести расстояние передачи до 800 км.

Оптоволоконные кабели применимы в сетях с топологиями «кольцо» или «звезда», при этом полностью отсутствуют проблемы заземления и согласования с нагрузкой, вечно актуальные для электрических кабелей.

Идеальная гальваническая развязка, наряду с вышеперечисленными достоинствами, позволяет аналитикам прогнозировать, что в сетевых коммуникациях оптоволоконные кабеля вскоре полностью вытеснят электрические, тем более с учетом растущего дефицита меди на планете.

Недостатки оптоволоконных кабелей

Справедливости ради, нельзя не упомянуть и о недостатках волоконно-оптических систем передачи информации, главный из которых — сложность монтажа систем и высокие требования к точности установки разъемов. Микронное отклонения при монтаже разъема способно привести к увеличению затухания в нем. Здесь необходима высокоточная сварка или специальный клеевой гель, коэффициент преломления света в котором аналогичен оному в самом монтируемом стекловолокне.

По этой причине квалификация персонала не допускает снисхождения, необходимы специальные инструменты и высокое мастерство владения ими. Чаще всего прибегают к использованию готовых кусков кабеля, на концах которых уже установлены готовые разъемы требуемого типа. Для разветвления сигнала от оптоволокна, применяют специализированные разветвители на несколько каналов (от 2 до 8), но при разветвлении неизбежно происходит ослабление света.

Конечно, оптоволокно является менее прочным и менее гибким материалом нежели та же медь, и изгибать оптоволокно на радиус менее чем 10 см небезопасно для его сохранности. Ионизирующие излучения снижают прозрачность оптоволокна, усиливают затухание передаваемого светового сигнала.

Оптоволоконные кабели стойкие к радиации стоят дороже обычных оптоволоконных кабелей. Резкий перепад температуры может привести к образованию трещины в световоде. Безусловно, оптоволокно уязвимо и к механическим воздействиям, к ударам, к ультразвуку; для защиты от этих факторов применяются специальные мягкие звукопоглощающие материалы оболочек кабелей.

Источник

Волоконно-оптический кабель: назначение, конструкция, классификация

В современных сетях для передачи данных все чаще используется волоконно-оптический кабель взамен стандартных электрических моделей, в которых проводящим материалом выступали медные и алюминиевые жилы. Такая популярность обусловлена рядом причин, среди которых куда более низкая себестоимость силикатных материалов, необходимых для изготовления оптического волокна и куда лучшие параметры работы оптоволоконных систем. Поэтому кабельная продукция на основе оптического волокна постепенно вытесняет привычнее нам кабельные линии.

Назначение

Волоконно-оптический кабель (также известен как оптоволоконный) предназначен для передачи сигналов связи посредством светового потока. Основным его отличием от классических систем, в которых данные передавались посредством электрических сигналов различной величины, частоты и протяженности, является использование световых импульсов, которые генерируются в оптическом модуле и поступают к приемнику на другом конце волокна. Благодаря своей структуре оптический проводник обеспечивает проходимость световых импульсов без потерь, за исключением тех из них, где мощность потока значительно снижается за счет отражения и дисперсии.

Технические характеристики передачи предоставляют практически неограниченные возможности для подключения приемников или количества передаваемых сигналов.

По назначению волоконно-оптический кабель может применяться для:

• Линий передачи данных между компьютерами в пределах предприятия;
• Формирования многофункциональных сетей в каком-либо городе или регионе;
• Установки в качестве телефонного кабеля для соединения абонентов;
• Работы высокоточных приборов и проведения измерений;
• Изготовления сигнализации и датчиков, работающих при помощи светового потока;
• Освещения труднодоступных мест, куда классическими устройствами добраться невозможно.

Несмотря на многообразие вариантов установки, конкретная область применения оптоволоконного кабеля определяется его конструктивными особенностями.

Конструкция

Конструктивно волоконно-оптический кабель можно представить следующим образом.

Посмотрите на рисунок, конструкция волоконно-оптического кабеля включает в себя такие элементы:

• Несущий сердечник – устанавливается для натяжения оптоволоконного кабеля, как правило, выполняется из металла или стеклопластика и воспринимает на себя весь вес волоконно-оптической линии при подвешивании, так как само оптическое волокно не обладает достаточной прочностью на разрыв. Также он центрирует всю конструкцию вокруг себя. Может изготавливаться как с защитной оболочкой, так и без нее.
• Оптическое волокно – основной элемент сердечника, предназначенный непосредственно для передачи светового сигнала. В одном кабеле, как правило, содержится от 2 до 250 волокон. Каждое из них покрывается специальным лаком, который обеспечивает достаточную прочность волокну и предотвращает распространение света за его пределы.
• Трубчатые модули – предназначены для защиты волокон от механических повреждений и для маркировки их отдельных групп. В составе кабеля может находиться один или несколько таких модулей, внутри они заполняются специальным защитным слоем из гидрофобного наполнителя. Чем больше волокон входит в состав волоконно-оптического кабеля, тем актуальнее использование нескольких модулей. Рис. 2: пример одномодульного и многомодульного кабеля
• Пленка с гидрофобным наполнителем – выступает в роли одной или нескольких защитных оболочек для всего пучка волоконно-оптического кабеля, их число определяется конструкцией всего сердечника и условиями его эксплуатации. Предназначена для снижения трения внутри и предотвращения проникновения влаги во внутрь. Как правило, внутри волоконно-оптического кабеля она дополнительно стягивается нитями.
• Слой диэлектрического материала – в данном случае из полиэтилена, но в других моделях может применяться и ПВХ изоляция. Также выполняет функцию защиты волоконно-оптических линий от влаги.
• Слой брони – обеспечивает достаточную механическую прочность при любой прокладке. Его основная задача – предотвратить нарушение целостности волокон режущими предметами, в процессе перетирания или грызунами. Может выполняться металлической проволокой, стекловолокном или кевларом. Бронированный кабель может использоваться для внешней прокладки, в шахтах и колодцах и под землей.
• Внешняя оболочка – основной элемент волоконно-оптического кабеля, предотвращающий разрушающее воздействие внешних факторов на линию. Внешний слой выполняется из полиэтилена или другого герметичного диэлектрика. Позволяет использовать оптоволоконную продукцию, как для воздушной прокладки, так и для кабельных каналов. Дополнительной функцией диэлектрической оболочки является защита от воздействия электрического напряжения в аварийных ситуациях.

Следует отметить, что рассмотренный вариант волоконно-оптического кабеля является частным случаем, кроме него вы можете встретить и другие модели, в которых могут отсутствовать некоторые из вышеприведенных элементов или изменяться их количество.

Классификация

Волоконно-оптический кабель, в зависимости от выбранного критерия будет подразделяться на разные категории. Так, по материалу изготовления выделяют два типа оптоволоконных изделий:

• GOF – кабель, оптическое волокно в котором выполнено из стекла (первая буква аббревиатуры происходит от английского glass);
• POF – модели с полимерным проводящим элементом (первая буква аббревиатуры происходит от английского plastic).

В зависимости от способа прокладки волоконно-оптической линии все марки подразделяются на те, которые могут размещаться:

• Путем подвешивания – такие модели содержат несущую жилу и кевларовую броню, а при подвешивании их на опоры его с ним применяются устройства грозозащиты.
• Для внутренней прокладки – в колодцах, камерах, шахтах кабель-каналах и т.д.;
• Для подземной прокладки – модели с усиленной наружной оболочкой, способной противостоять агрессивному воздействию окружающей среды;
• Для подводной прокладки – эти модели имеют многослойную структуру с усиленной гидроизоляцией.

В зависимости от величины проводящего ядра в волоконно-оптическом канале по отношению к демпфирующему слою выделяют одномодовые и многомодовые кабели. Они отличаются по количеству проводимых сигналов (мод), от чего и происходит их название.

Рис. 3: одномодовый и многомодовый кабель в сечении

Одномодовый кабель характеризуется относительно небольшим диаметром проводящего сердечника – 9мкм. Такой размер пропускает только один сигнал по каналу. Несмотря на то, что одномодовая конструкция отличается небольшой пропускной способностью, сигнал в ней не искажается и не затухает на всей протяженности линии.

Рис. 4: движение сигнала в одномодовом волокне

Многомодовый кабель, в отличии от одномодового характеризуется куда более широким диаметром проводящего ядра — 50 или 62,5 мкм. За счет увеличения ширины канала возникает возможность отражения сразу нескольких волн в ядре с определенным шагом (дисперсией). Поэтому по нему одновременно можно перемещать сразу несколько сигналов.

Рис. 5: движение сигнала в многомодовом волокне

Недостатком многомодового волокна является искажение и затухание сигнала, но вместе с тем многомодовый и более дешевый вариант, в сравнении с одномодовым, так как он работает на обычных светодиодах, а не на лазере. В зависимости от конкретных параметров, размеров и внешнего диаметра многомодовые кабели подразделяются на четыре класса и имеют различное применение.

Таблица: применение многомодовых кабелей различных классов

Класс волокна	Размер ядра/демпфера, мкм	Коэффициент широкополосности, режим OFL, МГц·км		Где применяются
		850 нм	1300 нм
OM1	62.5/125	200	500	Применяется для расширения ранее установленных систем. Использовать в новых системах не рекомендуется.
OM2	50/125	500	500	Применяется для поддержки приложений с производительностью до 1 Гбит/с на расстоянии до 550 м.
OM3	50/125	1500	500	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	50/125	3500	500	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.

Технические характеристики

При монтаже и во время эксплуатации важно учитывать основные параметры кабельно-проводниковой продукции, которые определяют номинальные условия для нормальной работы системы. Волоконно-оптические кабели обладают такими характеристиками:

• Минимальный радиус изгиба – составляет не менее 20 диаметров изделия.
• Границы рабочих температур – от – 60 до + 70°С. Следует отметить, что монтажные работы волоконно-оптических линий могут производиться при температуре окружающей среды не менее – 10°С без потери характеристик основных элементов волоконно-оптического кабеля.
• Электрическое сопротивление составляет не менее 2000 МОм. Помимо этого изоляция должна выдерживать воздействие повышенного напряжения в 20 кВ переменного и 10 кВ постоянного тока.
• Изоляция способна кратковременно выдержать ток растекания до 105 кА, но его продолжительность допускается не более 60 мс.
• Растягивающее усилие, в зависимости от конкретной модели, составляет от 4 до 42 кН.

Плюсы и минусы

Волоконно-оптические линии, в сравнении с теми же медными кабелями обладают рядом весомых преимуществ:

• Не подвергается воздействию электромагнитного излучения от соседних источников, благодаря чему в нем не возникают помехи;
• Благодаря отсутствию электрического напряжения в соединительных кабелях, осуществляется гальваническая развязка между источником и приемником;
• Высокая скорость и большая пропускная способность, в сравнении с медными вариантами;
• Большое расстояние для передачи сигнала;
• Относительно небольшой коэффициент затухания сигнала;
• Безопасность данных из-за невозможности бесконтактного съема данных и сложности подключения к линии;
• Антивандальная устойчивость – из-за того, что волоконно-оптическая продукция не принимается на пунктах приема, ее хищение совершенно бесполезно.

Но, наряду с вышеперечисленными преимуществами оптоволокно обладает и некоторыми минусами. К недостаткам волоконно-оптических линий относят:

Источник