Строительство волоконно оптического кабеля

ВОЛС — Урок 006. Монтаж волоконно-оптических линий связи

Основные понятия и определения

Наиболее ответственной операцией в процессе строительства ВОЛС, предопределяющей качество и дальность связи, является монтаж оптических волокон. Такое соединение волокон и монтаж кабелей производятся как в процессе производства, так и при строительстве и эксплуатации кабельных линий.

Монтаж подразделяется на постоянный (сварка волокна) и временный (разъемные соединители). Соединители оптических волокон, как правило, представляют собой арматуру, предназначенную для юстировки и фиксации соединяемых волокон, а также для механической защиты сростка.

Основными требованиями к соединителям являются:

• простота конструкции;
• малые переходные потери;
• устойчивость к внешним механическим и климатическим воздействиям;
• надежность;
• Дополнительно к разъемным соединителям предъявляется требование неизменности параметров при повторной стыковке.

Потери, вносимые соединением оптических волокон в тракт передачи кабеля, делятся на внешние и внутренние .

Внешними называются потери, связанные с особенностями метода соединения, в том числе с подготовкой концов волоконных световодов, и включающие в себя поперечное смещение сердцевины, разнесение торцов, наклон осей, угол наклона торца волокна, френелевские отражения.

Внутренними называются потери, связанные со свойствами самого оптического волокна и обусловленные, например, вариациями диаметра сердцевины, числовой апертуры, профиля показателя преломления, нециркулярностью сердцевины, неконцентричностью сердцевины и оболочки.

Внутренние потери

Внутренние потери являются следствием соединения двух неодинаковых оптических волокон, обладающих в основном различными диаметрами и числовой апертурой.

При прямом распространении света (слева направо) потери на стыке равны нулю, при обратном направлении распространения света часть периферийных лучей переходит в оболочку оптического волокна с меньшим диаметром и теряется.

В одномодовых волоконных световодах внутренние потери не зависят от направления передачи и определяются только несоответствием диаметров поля моды сопрягаемых оптических волокон.

Возможным источником потерь является также неконцентрическое размещение сердцевины внутри светоотражающей оболочки. То есть сердцевина оптического волокна смещена относительно центральной точки оптического волокна. Также дополнительные потери в оптическом волокне может вносить неидеальная форма поперечного сечения оптического волокна в кабеле .

Также внутренние потери могут быть обусловлены неравенством диаметров оболочек оптического волокна. Что может сказаться при механическом соединении оптических волокон.

Внутренние потери, обусловленные:
а — неконцентричностю;
б — эллиптичностью формы сердцевин.

Внутренние потери, обусловленные неравенством диаметров оболочек

Внешние потери

Внешние потери обуславливаются четырьмя основными причинами:

• радиальным смещением оптических волокон;
• угловым смещением;
• осевым смещением;
• качеством торцов.

Оптическое волокно в соединителе должно размещаться вдоль его центральной оси. Если центральная ось одного волокна не совпадает с такой осью другого, то неизбежно появляются потери за счет радиального смещения . Также, если соединение двух оптических волокон разделено небольшим зазором (осевое смещение), то оптическое волокно становится подверженным дополнительному виду потер.. Который обусловлен действием френелевского отражения, которое связано с разницей показателей преломления волокон и среды в зазоре (обычно воздуха).

Френелевское отражение:
а — при отсутствии воздушного зазора;
б — при наличии воздушного зазора.

Отражение на границе раздела двух сред характеризует я параметром R, который представляет собой отношение мощности отраженной волны к мощности входной волны.

Также сколы обработанных оптических волокон должны быть перпендикулярны осям волокон и параллельны друг другу при соединении. Потери, связанные с угловым рассогласованием ориентации оптических волокон относительно друг друга ( угловое смещение ), приведены на рисунке. Уровень потерь в этом случае также определяется величиной числовой апертуры NA.

Потери при угловом смещении

Монтаж оптических волокон

В процессе монтажа оптической магистрали осуществляется стационарное (неразъемное) соединение отдельных строительных длин кабеля. При вводе ВОК в здание или регенераторные для многократного соединения-разъединения с оптоэлектронным оборудованием применяются разъемные соединители — коннекторы. Соединение оптических волокон осуществляется в определенной последовательности. Вначале осуществляется подготовка торцов оптических волокон, а потом производится сращивание.

До начала соединения двух волоконных световодов требуется некоторая подготовка торцов волокон, которая заключается в удалении первичного защитного покрытия волокон с последующей заготовкой гладкого торца путем скалывания или шлифовки. Для удаления первичного покрытия с оптического волокна можно использовать как химические способы зачистки, так и механические.

Скалыванием называют подготовку торца оптического волокна с нанесением царапины и последующим разломом. В идеале скол оптического волокна должен быть перпендикулярен. Любое отклонение не должно превышать 1—2 о .

В одномодовом соединении с плоскими отшлифованными торцами и при наличии воздушного зазора между сопрягаемыми волокнами часть энергии отражается назад к источнику и создает возвратные потери. Одним из способов уменьшения возвратных потерь является закругление концов оптических волокон при шлифовке.

Сращивание осуществляется методом сварки или с помощью механического сростка . В качестве инструмента используется электрическая дуга , возникающая между электродами, пламя газовой горелки или лазер. По принципу действия сварочные аппараты подразделяются на аппараты с ручным управлением, полуавтоматические и автоматические. Механическое сращивание подразделяется на активное или пассивное в зависимости от того, производится ли выравнивание оптического волокна для оптимизации потерь или нет.

При механическом сращивании отдельных волокон доминируют три технологии :

• четырехстержневые направляющие компании TRW;
• эластомерные сростки компании GTE;
• вращаемый сросток компании AT&T.

Соединение оптических волокон с помощью четырехстержневых направляющих

Соединение оптических волокон с помощью эластомерного сростка

Соединение оптических волокон с помощью вращаемого сростка

Соединение оптических волокон с помощью замка Fibrlock

Основным способом соединения активного сетевого оборудования с оптоволоконной линией является применения оптических коннекторов, соединяемых посредством оптического адаптера, который устанавливается в оптическом кросс. Внутри оптического кросса развариваются оптические волокно, которые оконцовываются пигтейлами с оптическими коннекторами.

Оптический коннектор — это механическое устройство, предназначенное для многократных соединений. Он обеспечивает быстрый способ переконфигурации оборудования, проверки волокон, подсоединения к источникам и приемникам света. Коннектор для соединения одиночных оптических волокон состоит из двух основных частей: штекера и соединителя.

Источник

ВОЛС (волоконно-оптические линии связи)

Самой высокой пропускной способностью среди всех существующих средств связи обладает оптическое волокно (диэлектрические волноводы). Волоконно-оптические кабели применяются для создания ВОЛС – волоконно-оптических линий связи, способных обеспечить самую высокую скорость передачи информации (в зависимости от типа используемого активного оборудования скорость передачи может составлять десятки гигабайт и даже терабайт в секунду).

Кварцевое стекло, являющееся несущей средой ВОЛС, помимо уникальных пропускных характеристик, обладает ещё одним ценным свойством – малыми потерями и нечувствительностью к электромагнитным полям. Это выгодно отличает его от обычных медных кабельных систем.

Данная система передачи информации, как правило, используется при постройке рабочих объектов в качестве внешних магистралей, объединяющих разрозненные сооружения или корпуса, а также многоэтажные здания. Она может использоваться и в качестве внутреннего носителя структурированной кабельной системы (СКС), однако законченные СКС полностью из волокна встречаются реже – в силу высокой стоимости строительства оптических линий связи.

Применение ВОЛС позволяет локально объединить рабочие места, обеспечить высокую скорость загрузки Интернета одновременно на всех машинах, качественную телефонную связь и телевизионный приём.

Преимущества ВОЛС

При грамотном проектировании будущей системы (этот этап подразумевает решение архитектурных вопросов, а также выбор подходящего оборудования и способов соединения несущих кабелей) и профессиональном монтаже применение волоконно-оптических линий обеспечивает ряд существенных преимуществ:

• Высокую пропускную способность за счёт высокой несущей частоты. Потенциальная возможность одного оптического волокна – несколько терабит информации за 1 секунду.
• Волоконно-оптический кабель отличается низким уровнем шума, что положительно сказывается на его пропускной способности и возможности передавать сигналы различной модуляции.
• Пожарная безопасность (пожароустойчивость). В отличие от других систем связи, ВОЛС может использоваться безо всяких ограничений на предприятиях повышенной опасности, в частности на нефтехимических производствах, благодаря отсутствию искрообразования.
• Благодаря малому затуханию светового сигнала оптические системы могут объединять рабочие участки на значительных расстояниях (более 100 км) без использования дополнительных ретрансляторов (усилителей).

• Информационная безопасность. Волоконно-оптическая связь обеспечивает надёжную защиту от несанкционированного доступа и перехвата конфиденциальной информации. Такая способность оптики объясняется отсутствием излучений в радиодиапазоне, а также высокой чувствительностью к колебаниям. В случае попыток прослушки встроенная система контроля может отключить канал и предупредить о подозреваемом взломе. Именно поэтому ВОЛС активно используют современные банки, научные центры, правоохранительные организации и прочие структуры, работающие с секретной информацией.
• Высокая надёжность и помехоустойчивость системы. Волокно, будучи диэлектрическим проводником, не чувствительно к электромагнитным излучениям, не боится окисления и влаги.
• Экономичность. Несмотря на то, что создание оптических систем в силу своей сложности дороже, чем традиционных СКС, в общем итоге их владелец получает реальную экономическую выгоду. Оптическое волокно, которое изготавливается из кварца, стоит примерно в 2 раза дешевле медного кабеля, дополнительно при строительстве обширных систем можно сэкономить на усилителях. Если при использовании медной пары ретрансляторы нужно ставить через каждые несколько километров, то в ВОЛС это расстояние составляет не менее 100 км. При этом скорость, надёжность и долговечность традиционных СКС значительно уступают оптике.

• Срок службы волоконно-оптических линий составляет полрядка четверти века. Через 25 лет непрерывного использования в несущей системе увеличивается затухание сигналов.
• Если сравнивать медный и оптический кабель, то при одной и той же пропускной способности второй будет весить примерно в 4 раза меньше, а его объём даже при использовании защитных оболочек будет меньше, чем у медного, в несколько раз.
• Перспективы. Использование волоконно-оптических линий связи позволяет легко наращивать вычислительные возможности локальных сетей благодаря установке более быстродействующего активного оборудования, причем без замены коммуникаций.

Область применения ВОЛС

Как уже было сказано выше, волоконно-оптические кабели (ВОК) используются для передачи сигналов вокруг (между) зданий и внутри объектов. При построении вешних коммуникационных магистралей предпочтение отдаётся оптическим кабелям, а внутри зданий (внутренние подсистемы) наравне с ними используется традиционная витая пара. Таким образом, различают ВОК для внешней (outdoor cables) и внутренней (indoor cables) прокладки.

К отдельному виду относятся соединительные кабели: внутри помещений они используются в качестве соединительных шнуров и коммуникаций горизонтальной разводки – для оснащения отдельных рабочих мест, а снаружи – для объединения зданий.

Монтаж волоконно-оптического кабеля осуществляется с помощью специальных инструментов и приборов.

Технологии соединения ВОЛС

Длина коммуникационных магистралей ВОЛС может достигать сотен километров (например, при постройке коммуникаций между городами), тогда как стандартная длина оптических волокон составляет несколько километров (в том числе потому, что работа со слишком большими длинами в некоторых случаях весьма неудобна). Таким образом, при построении трассы необходимо решить проблему сращивания отдельных световодов.

Различают два типа соединений: разъёмные и неразъёмные. В первом случае для соединения применяются оптические коннекторы (это связано с дополнительными финансовыми затратами, и, кроме того, при большом количестве промежуточных разъёмных соединений увеличиваются оптические потери).

Для неразъёмного соединения локальных участков (монтажа трасс) применяются механические соединители, клеевое сращивание и сваривание волокон. В последнем случае используют аппараты для сварки оптических волокон. Предпочтение тому или иному методу отдаётся с учётом назначения и условий применения оптики.

Сварка оптических волокон

Наиболее распространённой на сегодняшний день является технология сварки волокон.

Аппараты для сварки оптического волокна

Самое качественное соединение с минимальными потерями обеспечивает сваривание волокон. Этот метод используется при создании высокоскоростных ВОЛС. Во время сваривания происходит оплавление концов световода, для этого в качестве источника тепловой энергии могут использоваться газовая горелка, электрический заряд или лазерное излучение.

Каждый из методов имеет свои преимущества. Лазерная сварка благодаря отсутствию примесей позволяет получать самые чистые соединения. Для прочной сварки многомодовых волокон, как правило, используют газовые горелки. Наиболее распространенной является электрическая сварка, обеспечивающая высокую скорость и качество выполнения работ. Длительность плавления различных типов оптовых волокон отличается.

Для сварочных работ применяются специальный инструмент и дорогостоящее сварочное оборудование – автоматическое или полуавтоматическое. Современные сварочные аппараты позволяют контролировать качество сварки, а также проводить тестирование мест соединения на растяжение. Усовершенствованные модели оснащены программами, которые позволяют оптимизировать процесс сварки под конкретный тип оптоволокна.

После сращения место соединения защищается плотно насаживаемыми трубками, которые обеспечивают дополнительную механическую защиту.

Склеивание оптических волокон

Технология склеивания волокон применяется реже, в основном при производстве патч кордов и пигтейлов. Она включает несколько технологических операций. В частности, перед соединением оптические кабели проходят предварительную подготовку: в местах будущих соединений удаляются защитное покрытие и лишнее волокно (подготовленный участок очищается от гидрофобного состава). Для надёжной фиксации световода в соединителе (коннекторе) используется эпоксидный клей, которым заполняется внутреннее пространство коннектора (он вводится в корпус разъёма с помощью шприца или дозатора). Для затвердевания и просушки клея применяется специальная печка, способная создать температуру 100 град. С.

После затвердевания клея излишки волокна удаляются, а наконечник коннектора шлифуется и полируется (качество скола имеет первостепенное значение). Для обеспечения высокой точности выполнение данных работ контролируется с помощью 200-кратного микроскопа. Полировка может осуществляться вручную или с помощью полированной машины.

Механическое соединение оптических волокон

Ещё один метод сращивания элементов оптоволокна в единую линию ВОЛС – механическое соединение. Этот способ обеспечивает меньшую чистоту соединения, чем сваривание, однако затухание сигнала в данном случае всё-таки меньше, чем при использовании оптических коннекторов.

Преимущество этого метода перед остальными состоит в том, что для проведения работ используются простые приспособления (например, монтажный столик), которые позволяют проводить работы в труднодоступных местах или внутри малогабаритных конструкций.

Механическое сращивание подразумевает использование специальных соединителей – так называемых сплайсов. Существует несколько разновидностей механических соединителей, которые представляют собой вытянутую конструкцию с каналом для входа и фиксации сращиваемых оптических волокон. Сама фиксация обеспечивается с помощью предусмотренных конструкцией защёлок. После соединения сплайсы дополнительно защищаются муфтами или коробами.

Механические соединители могут использоваться неоднократно. В частности, их применяют во время проведения ремонтных или восстановительных работ на линии.

ВОЛС: типы оптических волокон

Оптические волокна, используемые для построения ВОЛС, отличаются по материалу изготовления и по модовой структуре света. Что касается материала, различают полностью стеклянные волокна (со стеклянной сердцевиной и стеклянной оптической оболочкой), полностью пластиковые волокна (с пластиковой сердцевиной и оболочкой) и комбинированные модели (со стеклянной сердцевиной и с пластиковой оболочкой). Самую лучшую пропускную способность обеспечивают стеклянные волокна, более дешёвый пластиковый вариант используют в том случае, если требования к параметрам затухания и пропускной способности не критичны.

По типу путей, которые проходит свет в сердцевине волокна, различают одно- и многомодовые волокна (в первом случае распространяется один луч света, во втором – несколько: десятки, сотни и даже тысячи).

• Одномодовые волокна (SM) отличаются малым диаметром сердцевины, по которой может пройти только один пучок света.

• Многомодовые волокна (MM) отличаются большим диаметром сердцевины и могут быть со ступенчатым или градиентным профилем. В первом случае пучки света (моды) расходятся по различным траекториям и поэтому приходят к концу световода в различное время. При градиентном профиле временные задержки различных лучей практически полностью исчезают, и моды идут плавно благодаря изменению скорости распространения света по волнообразным спиралям.

Все современные ВОК (и одно-, и многомодовые), с помощью которых создаются линии передачи данных, имеют одинаковый внешний диаметр – 125 мкм. Толщина первичного защитного буферного покрытия составляет 250 мкм. Толщина вторичного буферного покрытия составляет 900 мкм (используется для защиты соединительных шнуров и внутренних кабелей). Оболочка многоволоконных кабелей для удобства работы окрашивается в различные цвета (для каждого волокна).

Диагностика волоконно-оптических линий связи

Основным инструментом для диагностики волоконно-оптических линий связи является оптический рефлектометр. Пример работы с таким прибором смотрите в следующем видео:

Примеры оборудования

Материал подготовлен
техническими специалистами компании “СвязКомплект”.

Источник