Оптоволоконный кабель: плюсы и минусы

Использование волоконно-оптических кабелей в линиях электропередач

В линиях электропередач можно использовать различные типы кабелей, связанные с оптоволоконными кабелями. На выбор типа кабеля влияют многие факторы. Наиболее важными из них являются: напряжение в линии, наличие молниеотвода, тип, состояние и максимальное расстояние между опорными конструкциями линии, расположение линии в конкретной климатической зоны (посадка). Каждый тип трубы имеет определенный метод подвески на опорных конструкциях.

Кабельные аксессуары

Чтобы подвесить различные типы кабелей с оптическими волокнами в линиях электропередачи, необходимо использовать соответствующие аксессуары для проводника данного типа. Наиболее популярными кабелями, используемыми для подвески проводов, являются оплетка из стальной проволоки и дополнительные элементы оборудования, которые позволяют закрепить их на несущих конструкциях. Оптоволоконные кабели почти всегда требуют активной антивибрационной защиты, что исключает опасность, вызванную так называемыми ветровыми колебаниями. Чаще всего используются демпферы типа Stockbridge и специальные спиральные демпферы для кабелей ADSS. Соединение оптических изготавливаются путем их сварки, затем их помещают в специальные герметичные распределительные коробки (гильзы), закрепленные на несущих конструкциях линии.

Оптические характеристики

Современные технологии производства оптических кабелей позволяют сохранить оптические параметры в кабеле практически на уровне параметров исходного волокна. Так как в производстве используется волокно ведущих зарубежных производителей, то параметры волокон в кабелях не сильно отличаются от производителя к производителю. Рассмотрим нормированные значения показателей оптических волокон:

Одномодовые оптические волокна

Параметры многомодовых волокон

Конструктивные параметры волокон

Теперь рассмотрим механические параметры кабелей различных производителей в зависимости от условий прокладки.

Виды

Существует множество видов оптоволоконных кабелей в зависимости от характера их применения. Они представлены в двух «режимах»: многомодовом и одномодовом.

Многомодовое волокно (MMF) имеет сердечники двух размеров: 50 мкм и 62,5 мкм. Широкое ядро позволяет передавать несколько потоков данных одновременно. В многомодовом волокне в качестве источника света используется светоизлучающий диод (LED) или лазер с вертикальной полостью, излучающий поверхность (VCSEL). Из-за высокой скорости рассеивания и затухания он обычно используется для передачи большого объема данных на относительно короткие расстояния .

Одномодовое волокно (SMF) имеет гораздо меньший диаметр сердцевины – 8,3 мкм или 9 мкм и единственный световой путь, который может проходить на большие расстояния. Одномодовые волокна обычно используются для более длинных участков, таких как сети передачи данных университетского городка, передачи кабельного телевидения и телекоммуникационные сети.

То, как будет прокладываться кабель, определяет его конструкцию. Наиболее распространенными типами оптических кабелей по их применению являются:

• для внутреннего монтажа;
• для установки в кабельные каналы, с броней или без нее;
• для укладки в грунт;
• подвесной, с тросом или без него;

Тип волокна определяет параметры брони, наличие подвесного троса и других характеристик оптического кабеля. Условия среды могут быть агрессивными, будь то грунт или вода. Наиболее частые поломки линии вызваны механическими повреждениями. Например, во время ремонтных работ кабель может быть поврежден крупногабаритными машинами, или подводные сети оборваны субмаринами или кораблями. Под каждый сценарий применения подбирается соответствующий вид кабеля.

Кабели с броней из круглых стальных проволок

Броня из круглых стальных оцинкованных проволок предназначена защиты кабеля как от раздавливающих, так и от растягивающих нагрузок. Кабели с круглой броней рекомендован для прокладки непосредственно в грунт, однако часто применяется и в канализации из-за своей надежности. Различные производители предлагают кабели с броней из проволок номинальным диаметром 1.2, 1.6 2мм и более. Меньший диаметр проволок (и соответственно большее их количество) обеспечивает большую гибкость, но несколько худшие стойкость к раздавливанию и растяжению.

Оптоволоконный передатчик

В первоначальных ВОЛС использовались большие лазеры, сегодня можно использовать различные полупроводниковые устройства. Чаще всего используются светоизлучающие диоды, светодиоды и полупроводниковые лазерные диоды.

Самым простым передающим устройством является светодиод. Его главное преимущество заключается в дешевизне. Однако у них есть ряд недостатков. Во-первых, они имеют очень низкий уровень эффективности. Только около 1% мощности поступает в оптическое волокно, а это означает, что потребуются драйверы высокой мощности для обеспечения достаточного количества света для передачи на большие расстояния.

Второй недостаток светодиода в излучении некогерентного света широкого спектра 30–60 нм. Из-за этого дисперсия в волокне ограничивает предел пропускной способности волоконного световода.

Волоконные светодиоды используются для локальных сетей, где скорость передачи данных в диапазоне 10–100 Мбит/с, а расстояние передачи несколько километров.

Оптоволоконная связь на большие расстояния с более высокими скоростями передачи данных, потребует большей производительности источника света. В этих системах используют лазеры. Хотя они более дорогие, они обладают существенными преимуществами.

Во-первых, они могут обеспечить более высокий выходной уровень;

Во-вторых, световой поток является направленным, что обеспечивает гораздо более высокую эффективность передачи света в оптоволоконный кабель. Эффективность связи с одномодовым волокном может достигать 50%.

В-третьих, лазеры имеют очень узкую спектральную полосу пропускания, то есть они производят когерентный свет. Эта узкая спектральная ширина позволяет лазерам передавать данные с гораздо большей скоростью, поскольку модальная дисперсия менее заметна.

Для очень высоких скоростей передачи данных или очень больших расстояний более эффективно использовать лазер с постоянным уровнем выходной мощности (непрерывной волной). Затем свет модулируется с помощью внешнего устройства. Использования внешних средств модуляции увеличивает максимальное расстояние между линиями связи, поскольку устраняется эффект, известный как лазерный «чирп». Этот эффект расширяет спектр светового сигнала и увеличивает хроматическую дисперсию в оптоволоконном кабеле.

Оптоволоконная связь и оптический кабель

По сути, оптоволоконный кабель состоит из сердечника, вокруг которого находится еще один слой, называемый оболочкой. Снаружи есть защитное внешнее покрытие.

Оптические кабели работают, потому что их оболочка имеет намного меньший показатель преломления, чем у сердечника. Это означает, что свет, проходящий по сердцевине, подвергается полному внутреннему отражению, когда достигает границы сердцевина-оболочка. То есть отражаясь свет движется внутри сердцевины оптического волокна.

Усилители (репитеры)

Есть ограничения в расстояние передачи сигналов по оптоволоконным кабелям. Это ограничивается связаны с затуханием сигнала и искажением светового сигнала вдоль кабеля. Чтобы преодолеть эти эффекты и передавать сигналы на большие расстояния (например, между городами), используются повторители и усилители сигналов.

Часто используют фотоэлектрические повторители. Эти устройства преобразуют оптический сигнал в электрический формат, где его можно обработать, чтобы сигнал не искажался, а затем преобразовать обратно в оптический формат.

Альтернативный подход — использовать оптический усилитель (эрбиевые 1,55мкм, иттербиевые 1 мкм, тулиевые 2 и 1,47 мкм). Эти усилители напрямую усиливают оптический сигнал без необходимости преобразовывать сигнал обратно в электрический формат.

Ввиду гораздо более низкой стоимости ВОУ по сравнению с повторителями, они используются гораздо чаще.

Оптоволоконная связь и приемники

Свет, распространяющийся по оптоволоконному кабелю, необходимо преобразовать в электрический сигнал, чтобы его можно было обработать и извлечь передаваемые данные. Компонент, который лежит в основе приемника, — это детектор (фотодетектор).

Обычно это полупроводниковое устройство с pn-переходом, штыревым фотодиодом или лавинным фотодиодом. Фототранзисторы не используются, потому что они не имеют достаточного быстродействия.

После того как оптический сигнал от оптоволоконного кабеля был подан на детектор и преобразован в электрический формат, он может быть обработан для восстановления данных, которые затем могут быть переданы в конечный пункт назначения.

Разница между многомодовым и одномодовым волокном простым языком

В чем разница одномодовый и многомодовый кабель.

В данной статье я попытаюсь разъяснить простым языком, в чем разница между многомодовым и о одноммодовым волокном. Работая долгие годы в этой сфере, столкнулся с тем то что не каждый монтажник, занимающийся прокладкой оптического кабеля, может разобраться в тонкостях данной темы.

Итак, начнем.

В чем же основное различие, все очень просто, из самого названия многомодовый или одноммодовым кабель. Что такое (мод) – световой импульс, который движется по оптоволоконому кабелю оп оптического передатчика к приемнику. Вот получается, что в одномодовом один (мод) – световой импульс, а в многомодовом их несколько.  И тут возникает мысль, зачем же использовать одномод, если в многомоде с большее количество (модов) идущих по одному волокну, наверно и скорость выше. Нет это не так. Многомодовый кабель, был создан для удешевления, стоимости оптического оборудования оборудования. Так как для передачи светового сигнала, достаточно недорогого оптического модуля, роль излучателя в котором, исполняет диод, а не дорогостоящий лазер.

Одномодовый оптический кабель – обладает диаметром сердечника от 8,3 до 10 микрон и поддерживает передачу только одного импульса (мода). Для сравнения толщина человеческого волоса в микронах колеблется в пределах от 50 до120 микрон. Следовательно, внутренний диаметр волокна 5 раз тоньше самого тонкого человеческого волоса. По такой жиле световой импульс может передаваться на расстояние в 240 км, на скорости передачи данных в 155Мбит/с без использования оптических повторителей. В одномодовом оптическом кабеле используются длина волны сетевого потока 1310 или 1550 нанометров, это зависит от типа оптического лазера. Одномод очень привередлив к качеству сварки, особенно это будет зависит от длинны оптоволоконной линии. Читайте в разделе сварка оптоволокна. На сегодняшний день, возможно получить стабильные 100Гбит/с, до 40 километров по одной жиле, при этом используются не стандартные коэффициенты длинны волны от 1295.56/1300.05 1304.58 до 1309.14 нанометров.

Многомодовый оптический кабель — обладает диаметром сердечника от 50 до 100 микрон и поддерживает передачу нескольких импульсов (мода) одновременно. Типичные диаметры сердечника многомодового волокна 50, 62,5, и 100 микрометров. В большинстве случаем данный кабель используется для построение локальных сетей, из невысокой стоимость оптических модулей с применение диода. Способность многомодового кабеля передать до 10 Гигабит в секунду на расстояние до 200 метров. В многоводовом оптическом кабеле используются длина волны сетевого потока 850 до 1300 нанометров. Раз

Многомодовое оптическое волокно делится на два типа передачи импульса,  ступенчатое и градиентное.

Градиентное оптоволокно, имеет более низкий показатель дисперсии импульса, что дает более высокие показатели пропускной способности.

Читайте так же дополнительную информацию, в разделе сварка оптоволокна.

Применение

Волоконно-оптическая связь

Оптическое волокно используется в качестве среды передачи на телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей.

Волоконно-оптический датчик

Оптическое волокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, даёт волоконно-оптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях.

Оптическое волокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптическим волокном.

Волоконно-оптические датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Они хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков.

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Оптическое волокно применяется в лазерном гироскопе, используемом в Boeing 767 и в некоторых моделях машин (для навигации). Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна, полученные при вращении заготовки с сильным встроенным двойным лучепреломлением.

Другие применения оптического волокна

Диск фрисби, освещённый оптическим волокном

Оптические волокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптические волокна используются для обозначения маршрута с крыши в какую-нибудь часть здания. Волоконно-оптическое освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные ёлки.

Оптическое волокно также используется для формирования изображения. Пучок света, передаваемый оптическим волокном, иногда используется совместно с линзами — например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.

Конструкция волоконно-оптического кабеля

Конструкция ВОК изменяется в зависимости от его типа и назначения при общем сходстве отдельных конструктивных элементов. Познакомимся с особенностями кабельной конструкции на примере оптоволоконного кабеля, изображенного на рисунке.

Волоконно-оптический кабель в разрезе

В центре конструкции виден силовой элемент из стеклопластикового прутка, предназначенный для демпфирования нагрузок, создаваемых при монтаже и эксплуатации. Волокна расположены внутри оптических модулей, оберегающих их от внешнего воздействия. Модули представляют собой пластиковые трубки, имеющие оптимальный диаметр для группирования нужного количества ОВ.

В состав ВОК входят один или несколько модулей, что зависит от общего числа волокон. Модульное группирование оптических волокон и их цветовая маркировка намного облегчают идентификацию каждого конкретного оптоволокна при монтаже муфт и расшивке оптоволоконного кабеля на кроссе.

Оптические модули покрыты водоотталкивающим гелем, предохраняющим от проникновения влаги. Бандажная лента из полиэтилена фиксирует оптические модули и не дает вытечь гелевому наполнителю.

Внутренняя полиэтиленовая оболочка является буферным слоем, разделяющим оптические модули и армирующую броню. В данном примере бронирование выполнено стальной оцинкованной проволокой, надежно защищающей от грызунов и экстремальных нагрузок.

Важнейшим элементом защиты является внешняя оболочка из негорючего высокоплотного полиэтилена. От надежности наружного покрытия зависит длительность безотказного функционирования оптоволоконного кабеля, что диктует строгие требования к технологии его производства.

Монтаж

Процесс подключения Интернета через оптоволокно сложнее, чем кажется на первый взгляд. Все преимущества скорости света заключены в хрупком сердечнике, требующего бережного отношения. По сравнению с медной витой парой, обслуживание таких коммуникаций требует повышенной квалификации работников, занятых монтажными работами и подключением абонентского оборудования. Особенно это касается профессиональных бригад, обслуживающих магистрали провайдера. Будь то срочный ремонт или плановое подключение участка — сетевой инженер всегда имеет при себе целый набор инструментов для обслуживания оптоволоконного кабеля для Интернета.

Продвинутые модели оснащены ЧПУ, который регулирует угол и наклон сварки для достижения наилучшего результата. Проблема заключается в том, что даже небольшая погрешность может оказать негативное влияние на скорость передачи данных по оптоволокну.

Процесс монтажа:

1. Сначала необходимо подготовить кабель. При помощи специального инструмента срезается внешняя и внутренняя изоляция, а также зачищается сердечник. 
2. Зачищенное волокно необходимо обработать спиртосодержащим веществом, а затем укоротить до нужной длины при помощи резака.

   Затем место сварки покрывается термоусадкой и нагревается до высокой температуры.

3. Для подключения готового кабеля к конечному оборудованию его нужно обжать. Процесс обжима оптоволокна различается в зависимости от его типа. Если говорить о бытовом использовании, то в продаже можно найти готовые патч-корды.

История волоконно-оптической связи

Волоконно-оптическая связь является новой технологией передачи информации на значительные расстояния без потери качества сигнала.

Информация транслируется по специальному кабелю, а в качестве среды распространения выбраны колебания электромагнитного поля в инфракрасном оптическом диапазоне.

Благодаря своей колоссально пропускной способности, волоконно-оптические линии связи не имеют аналогов среди других способов передачи больших объемов информации.

Стремительное развитие информационных технологий не могли удовлетворить существующие способы связи, наше общество постепенно интегрировалось в информационное поле, что требовало новых подходов к выбору способов и методов коммуникации.

С момента изобретения первых радиостанций прошло немного времени, но требовались новаторские технологические решения, которые могли бы обеспечить не сиюминутные потребности человечества, а работали бы на перспективу.

Теоретические разработки ученых и первые эксперименты доказали, что возможность трансляции информационного потока с использованием света существенно эффективнее, чем передача сигнала посредством радиоволн в различных диапазонах.

Первые рабочие разработки были предложены в 1966 году – ученые показали кабель из обыкновенного стекла, в надежде, что он станет заменой коаксиальному проводу. Первый волоконно-оптический кабель связи имел очень большой коэффициент затухания, что было неприемлемым.

Исследования продолжались, но оставалось две основных проблемы – что использовать в качестве носителя сигнала и каким должен быть источник света для максимально эффективной передачи большого объема информации с минимальными потерями. Решение нашлось только в 70-х годах прошлого века, когда были изобретены новые лазеры и появились новые материалы в качестве основы для кабеля.

За последующие неполные полвека строительство волоконно-оптических линий связи пережило настоящий бум:

• в 1988 году была завершена прокладка первой масштабной линии связи между Японией и США;
• в 2003 году впервые была достигнута скорость передачи сигнала около 11 Тбит/сек;
• в 2009 году испытания в области скоростной передачи данных преодолели новый рубеж – ученым удалось транслировать поток 15.5 Тбит/сек без потери скорости на расстояние около 7000 км.

Исследования продолжаются, во всем мире происходит прокладка волоконно-оптических линий связи, которые позволяют передавать большие объемы информации на значительные расстояния. Этот метод вошел в основу скоростного доступа к сети Интернет, существенно обогнав по ключевым параметрам другие популярные способы подключения.

Особенности проектирования и монтажа волоконно-оптической связи

Проектирование волоконно-оптических линий связи является сложным и трудоемким процессом, который должен учитывать целый ряд особенностей, начиная от технической возможности проведения трассы и заканчивая количеством основного и вспомогательного оборудования, которое будет соединено в рамках сети.

Процесс проектирования и разработки линии связи можно разделить на несколько стадий:

• определение технической возможности установки;
• выбор типа кабеля и его длины;
• проведение технических расчетов на предмет выявления величины коэффициента затухания сигнала, и других важных показателей;
• выбор необходимой аппаратуры и вспомогательных средств для обеспечения бесперебойной работы сети и соответствия стандартам передачи информации;
• проектирование и прокладка трассы. Монтаж волоконно-оптических линий связи может производиться двумя способами – навесным (кабель прокладывается по воздуху на уже существующих либо новых технических опорах) или подземным (для этого необходимо проделать специальные земельные работы). Выбор способа прокладки трассы зависит от климатического пояса, атмосферных условий (степень промерзания почвы, солнечная или ветровая активность), рельефа местности и других факторов;
• подготовка необходимой технической документации с указанием количества точек подключения, различные разветвления и общая трассировка (так называемая скелетная схема);
• перечень конкретных технических и аппаратных средств, задействованных в создании работоспособной линии связи (стационарные терминалы, усилители, трансиверы, муфты ответвления и другое оборудование);
• согласование проекта с заказчиком и проведение монтажных работ.

Одна из главных особенностей установки заключается в том, что волоконно-оптический канал связи в рамках проекта может достигать нескольких десятков километров, тогда как стандартная длина провода существенно меньше. Это предусматривает наличие соединений в рамках одной линии связи между сегментами кабеля.

Соединить два сегмента провода можно несколькими способами:

• разъемное соединение (при помощи оптических коннекторов). У этого способа есть одно преимущество – работы происходят достаточно быстро и не требуют специального оборудования. Главный недостаток заключается в том, что это существенно удорожает стоимость линии связи и способствует увеличению потерь сигнала при использовании большого количества соединительных элементов;
• неразъемный способ. Здесь существует несколько вариантов, среди которых склеивание и сварка волоконно-оптических линий связи. Эти процессы довольно трудоемкие и требуют специального оборудования и практических навыков, но итогом является практически полное отсутствие потерь скорости передачи и монолитное соединение кабелей.

Волоконно-оптические линии связи, используемое оборудование для которых соответствует мировым стандартам, способны служить на протяжении полувека без видимой потери качества сигнала.

По виду оптоволокна

По виду оптоволокна ВОК подразделяются на одномодовые и многомодовые. Под модой понимается траектория распространения светового луча внутри световода. ОВ этих видов отличаются диаметром сердцевины и оболочки.

Световой луч вводят в оптическое волокно одним их двух способов:

• под нулевым углом — одномодовое волокно. Возникает лишь одна мода, распространяющаяся прямолинейно;
• под небольшим углом — многомодовое волокно. Образуются много мод, которые распространяются, многократно отражаясь от оболочки, и достигают точки приема за различное время.

Схема ввода светового луча в оптоволокно

Оптоволоконные кабели с одномодовыми волокнами обеспечивают повышенную дальность передачи без восстановления сигнала и лучшую пропускную способность. Для сравнения:

• одномодовое волокно — 100 км, до 200 Тбит/сек;
• многомодовое волокно — 500 м, до 10 Гбит/сек.

Очевиден вывод о эффективности применения одномодовых волоконно-оптических кабелей на магистралях связи большой протяженности и подключения удаленных сегментов высокоскоростных информационных сетей. Для мультимодовых ВОК находится применение при создании локальных кабельных сетей на небольшой территории.

Конструкция и материалы

Определившись с тем, что такое оптоволокно, перейдем к описанию его устройства. Чтобы лучше понять структуру оптического волокна, рассмотрим процесс его производства:

• нагретый кварцевый песок протягивают через сканер, проверяющий диаметр получающейся нити;
• затем в камеру охлаждения;
• и наконец в ванну с полимером, который налипает и формирует внешний защитный слой;
• в конце вертикального конвейера находится бобина, на которую со скоростью 3 км/с наматывается остывшее волокно;
• его транспортируют на завод, где осуществляется покраска каждой нити, чтобы их затем можно было различить в зависимости от канала передачи данных;
• на специальном станке из них формируются пучки, которые затем запаиваются в кожух из полиэтилена;
• пучки пережемаются с армирующим стеклопластиковым стержнем, а затем упаковываются во внешнюю изоляцию. Так формируется строение конструкции оптоволоконного кабеля.

• сердечник из оптического волокна — самая хрупкая часть кабеля;
• гидрофобный заполнитель обеспечивает защиту посредством амортизации;
• эту конструкцию опоясывает центральная трубка;
• промежуточная полиэтиленовая оболочка обеспечивает дополнительную защиту сердцевины;
• как правило, в кабеле присутствует броня (существует множество разновидностей);
• все перечисленные элементы закрывает наружная оболочка.

Принцип работы

В основе устройства кабеля из оптоволокна лежат стеклянные световоды. Это своеобразные трассы для транспортировки лучей света от источника до приемника. По привычному нам медному проводнику, который по сей день повсеместно используется в локальных сетях, движутся электроны. Информация кодируется единицами и нулями: если электрический импульс есть, значит он трансформируется сетевой картой в значение «1», и наоборот, если его нет — в «0».

С оптикой ситуация выглядит примерно таким же образом. В ней со скоростью света движутся его пучки — моды. Их присутствие определяет передаваемый бит информации, только со значительно большей скоростью (более 10Гбит/с).

Для отправки светового сигнала применяется лазер, луч которого направлен в сердцевину кабеля. При помощи системы зеркал он экранируется, что позволяет ему проходить изгибы и неровности канала. Концом пути светового потока является конечное оборудование, такое как медиаконвертер или роутер с поддержкой PON.
Его задача заключается в превращении оптического сигнала в электрический и наоборот. От него прокладывается стандартная витая пара и подключается к сетевому оборудованию, например, домашнему роутеру.