Волоконно-оптический кабель

Прогресс цивилизации связан с быстрым возрастанием потоков информации, опережающим развитие производительных сил общества. Наилучшими носителями информации вплоть до космических, признаны электромагнитные волны. Человечество неуклонно осваивает новые диапазоны, стремясь к передаче все более широких частотных полос по каждой линии или физическому каналу связи.

Цифровая связь по оптическим кабелям (ОК), приобретающая все большую актуальность, является одним из главных направлений научно-технического прогресса (НТП). На сегодняшний день наметились две основные тенденции в развитии НТП: снижение себестоимости услуг связи и повышение её качества.

Преимущества цифровых потоков в их относительно лёгкой обрабатываемости с помощью ЭВМ, возможности повышения отношения сигнал/шум и увеличения плотности потока информации.

Преимущества оптических систем передачи (СП) перед СП, работающими по металлическому кабелю заключается в:

— возможности получения световодов с малым затуханием и дисперсией, а значит увеличение дальности связи и уменьшение потерь;

— широкая полоса пропускания, значит большая информационная ёмкость;

— ОК не обладает электропроводностью и индуктивностью, то есть кабели не подвергаются электромагнитным воздействиям;

— пренебрежимо малые перекрестные помехи;

— низкая стоимость материала ОК, его малый диаметр и масса;

— высокая скрытность связи;

— возможность усовершенствования системы при полном сохранении совместимости с другими СП.

Потенциальные возможности передачи информации возрастают с увеличением полосы пропускания передающей среды и частоты несущей. За время существования радио, используемые для передачи частоты выросли от примерно 100 КГц до приблизительно 10 ГГц. Изобретение лазера, в котором свет используется в качестве несущей, за один шаг увеличило потенциальный диапазон на четыре порядка — до 100 000 ГГц (или 100 терагерц, ТГц). Волоконная оптика теоретически может работать в диапазоне до 1 ТГц, однако используемый в настоящее время диапазон еще далёк от этого предела.

Ширина полосы пропускания связана со скоростью передачи информации. Потери (затухание) определяют расстояние, на которое может передаваться сигнал. По мере того как сигнал перемещается по передающей линии, его амплитуда уменьшается. Это уменьшение амплитуды называется затуханием. В оптическом кабеле затухание не зависит от частоты и остается постоянным в определенном диапазоне частот, вплоть до очень высоких и, как правило, неиспользуемых частот.

Важнейший результат нечувствительности оптического волокна к наводкам от электромагнитного излучения заключается в том, что световые сигналы не искажаются под влиянием электромагнитных наводок (ЭМН). Цифровая передача предполагает пересылку сигнала без ошибок. Всплеск ЭМН может привести к возникновению пика, в то время как в исходном сигнале никакого пика не было. Таким образом, оптические волокна открывают новые возможности для передачи сигнала без искажений.

Оптическое волокно весит значительно меньше медного проводника. Волоконно-оптический кабель той же информационной ёмкости, что и медный, весит меньше, поскольку последний требует большего количества линий. Волокно является диэлектриком и не проводит ток. Его использование безопасно с точки зрения искро — и пожаробезопасности. Более того, волокно не притягивает молнии.

Волоконно-оптический кабель может также использоваться в опасных местах, в которых из соображений безопасности вообще не применялись кабели. Например, волокно можно проложить прямо через топливный бак.

1. Конструкции оптических кабелей.

Оптические кабели предназначены для передачи цифровых и аналоговых сигналов в высокоскоростных линиях связи. Отличительной особенностью является наличие в конструкции кабеля основного элемента — оптического волокна. Оптическое волокно имеет низкую механическую прочность. Поэтому конструкция кабеля должна быть такой, чтобы конструктивные элементы надежно защищали оптическое волокно. В кабелях внешней прокладки — это силовые и армирующие элементы: вторичное защитное покрытие в виде трубки, центральный силовой элемент, промежуточные оболочки, броня, защитная оболочка. В кабелях внутренней прокладки роль защитных элементов выполняет плотное вторичное защитное покрытие, защитная оболочка. При необходимости в конструкции кабеля могут быть армирующие Элементы на основе высокомолекулярных нитей (СВМ, Тварон, Кевлар).

1.1 Классификация оптических кабелей.

По назначению оптические кабели (ОК) в отличие от электрических кабелей достаточно классифицировать на две основные группы:

— линейные — для прокладки вне зданий (для наружной прокладки и эксплуатации);

— внутриобъектовые — для прокладки внутри зданий (для внутренней прокладки и эксплуатации).

Нет необходимости классифицировать линейные ОК на магистральные, зоновые, городские и сельские, т. е. по принципу принадлежности к магистральной, зоновым или местным сетям связи.

Современные одномодовые оптические волокна (ОВ), выполняющие в ОК роль среды передачи, имеют малое затухание, слабую его частотную зависимость и не являются ограничивающим фактором применения линейных ОК на сетях связи (магистральной, зоновых или местных).

Определяющим фактором применения линейных ОК на сетях связи являются условия их прокладки и эксплуатации. Оптические кабели позволяют создавать сети во всех средах: на суше, в воде и воздухе. С учетом этого линейные ОК можно классифицировать на три группы:

— подземные;

— подводные;

— подводные.

Внутриобъектовые ОК по условиям применения можно классифицировать на две группы:

— распределительные;

— станционные (монтажные).

1.2 Кабель для прокладки в грунте.

1 — центральный силовой элемент (стеклопластиковый стержень);

2 — оптический модуль с заполнением гидрофобным гелем;

3 — оптическое волокно;

4 — заполнение гидрофобным компаундом;

5 — полиэтилентерефталатная пленка;

6 — внутренняя полимерная оболочка (полиэтиленовая);

7 — двухслойная броня из стальных оцинкованных круглых проволок;

8 — наружная оболочка (полиэтиленовая).

1.3 Основные конструктивные элементы ОК для прокладки в земле.

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:

Таблица 1 — Стандарты ITU и IEC.

Почти все эти рекомендации переведены на русский язык, а IEC 793 был принят в качестве стандарта ГОСТ Р МЭК 793−1-93.

Почти все стандартные волокна относятся к одному из следующих видов:

— одномодовое ступенчатое волокно 8−10/125 мкм;

— многомодовое градиентное волокно 50/125 мкм;

— многомодовое градиентное волокно 62.5/125 мкм.

В последнее время используются также волокна со сложным профилем показателя преломления, т.н. волокна со смещенной дисперсией. Различают волокна с положительной ненулевой смещенной дисперсией (например, волокна Corning Leaf), с положительной нулевой смещенной дисперсией (практически не используется), с отрицательной смещенной дисперсией, для компенсации дисперсии.

У всех перечисленных стандартных волокон один и тот же диаметр оболочки, равный 125 мкм.

Покрытие волокна.

Для практического использования оптическое волокно должно иметь защитное покрытие. Например, таким покрытием могут быть один или несколько слоев полимерных материалов. Защитный слой наносится на волокно в процессе его изготовления — вытягивания — в вытяжной башне, находящейся на несколько метров ниже печи. Защитное покрытие наносится в жидком виде с помощью специального устройства — аппликатора — или нескольких таких устройств. Волокно проходит через эти устройства со скоростью 3 — 10 м/с.

Обычно для защиты на волокно наносятся два слоя акрилата — внутренний слой из мягкого акрилата, для предотвращения микро-изгибов, и твердый наружный слой, для защиты от механических воздействий. После нанесения обоих слоев диаметр волокна становится равным 245±10 мкм. Нанесенный акрилат отверждается под воздействием интенсивного УФ-излучения. При этом очень важно? чтобы акрилат был отвержден полностью, иначе смесь отвержденного и неотвержденного акрилата может привести к появлению микроизгибов? что? в свою очередь? приведет к увеличению затухания, изменению геометрических параметров и т. д.

Рисунок 3. Установка для перемотки волокна с натяжением Раньше для первичного покрытия использовался силикон (в основном японскими производителями)? но за последние годы практика его применения стала сходить на нет. Причина заключается в трудностях? связанных с удалением первичного покрытия волокна, например, при подготовке ОВ к стыковке или оконцовке. В отличие от силикона? отвержденный акрилат счищать с волокна очень легко.

Первичное покрытие повышает механическую прочность волокна. Для гарантированной долговечности необходимо? чтобы волокно с первичным покрытием выдерживало растягивающее напряжение порядка 10 Н в течение одной секунды. Предел прочности при растяжении составляет около 50 Н. Первичное покрытие заполняет неровности на поверхности оболочки и защищает волокно от пыли? влаги и химикатов.

Таблица 2 — Наиболее типичные допуски для многомодового волокна 50/125 мкм.

Модули.

Оптическое волокно, обладая малыми геометрическими размерами, может выдерживать значительные нагрузки, возникающие в процессе прокладки. Однако, оно подвержено сильному воздействию влаги, температуры, механических напряжений в процессе эксплуатации, что приводит к прорастанию трещин и возникновению микроизгибов. Поэтому, в связи с указанной уязвимостью, для практического применения оптическое волокно необходимо покрывать защитной оболочкой. Разработаны специальные конструкции оболочки для защиты световодов — модули. В большинстве случаев модули сами по себе не обеспечивают необходимых прочностных характеристик и не в состоянии защитить волокно от внешних воздействий. В таких случаях поверх модулей налагаются дополнительные защитные покровы.

Модули могут быть трех видов:

— модули со свободной укладкой волокон;

— модули с плотной упаковкой волокон;

— ленточные волокна.

Модули со свободной укладкой волокон.

Чтобы предотвратить изменение оптических свойств волокна под воздействием давления? растягивающего напряжения? изгибов? кручения и трения? волокно с первичным покрытием свободно укладывают в узкой трубке. Трубка, из которой выполнен модуль, должна сохранять свою форму, быть устойчивой к старению и достаточно гибкой, чтобы не подвергать световод каким-либо механическим напряжениям. Оболочка трубки, как правило, состоит из внутреннего защитного слоя, имеющего низкий коэффициент трения, и внешнего слоя, который защищает волоконный световод от механических воздействий. Однако достаточно часто в целях минимизации стоимости кабеля трубку модуля делают из одного материала.

Рисунок 4. Модуль кабель оптический термомеханический прокладка В трубку модуля помещают один или несколько световодов. По сложившейся практике максимальное число волокон в трубке составляет двенадцать. Это ограничение накладывается цветовой кодировкой ОВ. Однако в настоящее время (см. п. Окраска) в модуль могут быть уложены до 72 ОВ. Кроме того, существует возможность укладки в модуль нескольких пучков по 12 волокон, которые различают по цвету скрепляющей их нити. Тем не менее, в России в большинство модулей содержит 4−6 волокон. При этом, как уже было сказано, трубка должна обладать следующими свойствами:

— обратимость деформации, т. е. возврат к первоначальной форме после снятия напряжения;

— высокая стойкость к раздавливающим нагрузкам;

— стойкость к растяжению;

— низкий коэффициент трения.

Волокно укладывается в модули с небольшим избытком по длине. Такая укладка называется свободной. При дальнейшей работе с кабелем свободная укладка волокон предотвращает возникновение растягивающего напряжения ОВ при удлинении модулей и дает возможность проводить скрутку модулей с натяжением без воздействия напряжений непосредственно на ОВ.

Волокна располагаются в трубке модуля с зазором, равным нескольким десятым миллиметра, могут перемещаться в радиальном направлении? и таким образом компенсировать растягивающее напряжение? давление? крутящие и изгибающие усилия, а также влияние изменения температуры. Перемещения волокон не вызывают большого сопротивления, так как поверхности оболочки гладкие и коэффициент трения внутренней поверхности низкий.

При повреждении волоконно-оптического кабеля вода может проникнуть внутрь полой оболочки модуля и за счет капиллярного эффекта распространиться вдоль по кабелю на значительные расстояния. При замерзании воды волокна подвергаются воздействию напряжений во многих точках, что может вызвать микроизгибы и приведет к недопустимому увеличению затухания. Кроме того, влага, попавшая на поверхность волокна, изменяет энергию активации роста трещин, что существенно снижает его прочность, уменьшая тем самым время его жизни. Для предотвращения проникновения воды внутримодульное пространство заполняется специальным водоотталкивающим наполнителем (гидрофобом) — тиксотропным гелем. Вообще, различают два типа гелей: у гелей первого типа изменяется вязкость с изменением температуры, у второго — с изменением давления. Указанный выше гель представляет собой химически нейтральную массу, которая в необходимом диапазоне температур (от -60єС до +70єС) имеет достаточную вязкость, не замерзает, не подвергает коррозии или разбуханию защитное покрытие световода. Кроме того, тиксотропный гель снижает трение между волокнами и стенкой трубки?, так что волокна могут свободно перемещаться внутри трубки даже при самом незначительном напряжении. Это очень важное свойство тиксотропного геля — во всем диапазоне рабочих температур (как минимум -60єС+70єС) он должен под механическим воздействием на него волокна (при растяжении последнего) изменять свою вязкость и обеспечивать наименьший коэффициент трения. Гель легко протирается и смывается, не оставляет после себя остатков, которые могли бы помешать соединению световодов, не содержит легковоспламеняющихся веществ.

Коэффициенты теплового расширения стекла (из которого изготавливается волокно) и полимера (из которого состоит остальная часть кабеля) сильно отличаются друг от друга. У полимеров значение этого коэффициента больше,? а у волокна — меньше. Поэтому волокно относительно модуля при нагревании практически не расширяется (не удлиняется). Так как волокно может свободно перемещаться внутри трубки в радиальном направлении? то в обычной обстановке это предотвращает его растяжение.

Кроме того, длина волокна в модуле на несколько десятых процента больше, чем длина его оболочки, т. е. трубки модуля. Поэтому в нормальных условиях волокно не вытянуто в прямую линию, а образует внутри модуля кривую, напоминающую синусоиду. При растяжении модуля на некоторую малую величину, например при создании скрутки, волокно не удлиняется, а распрямляется. Когда длина волокна станет равной длине трубки, произойдет его полное выпрямление. Важно правильно рассчитать работу оптического кабеля в заданном температурном диапазоне эксплуатации. Условия эксплуатации в нашей стране одни из наиболее жестких в мире. Так для кабелей, уложенных в грунт, диапазон температур составляет от -40°С до +50°С, а для эксплуатирующихся на открытом воздухе (подвеска, мосты, эстакады) еще шире. Свободно уложенное синусоидой волокно при сжатии модуля (низкие температуры) может подвергаться микро-изгибам, приводящим к неприемлемому росту потерь в линии. Данный микро-изгиб есть не что иное, как дополнительная нагрузка на ОВ, которую оно испытывает в модулях со свободной укладкой. Именно поэтому неотработанные для наших условий конструкции оптических кабелей известных зарубежных производителей оказывались непригодными для использования на взаимоувязанной сети РФ. Особенно существенны данные расчеты для подвесных кабелей, во-первых, из-за наибольших перепадов годовых температур (зима от -60°С до +70°С — лето), а, во-вторых, из-за вибрации, которая при достаточном разжижении тиксотропного геля с течением времени приводит к скоплению избытка длины оптического волокна в центре пролета.

Наружный диаметр трубки модуля? в зависимости от числа укладываемых волокон? находится, как правило, в пределах от 1.5 до 3 мм. Толщина стенок также колеблется — обычно от 0.3 до 0.5 мм. Соотношение диаметра трубки модуля к толщине его стенки (SDR) определяет стойкость модуля к раздавливающим усилиям. Чем меньше SDR — тем более стойким является модуль. Кроме того, стойкость к раздавливанию зависит от твердости применяемых материалов. Поэтому трубка модуля обычно изготавливается из полиамида или из полибутилентерефталата (ПБТ). Эти виды полимеров имеют хорошие физические свойства, которые отвечают изложенным выше требованиям.

Трубки модуля могут быть однослойными и двухслойными. Для производства используют, соответственно, один или два экструдера, установленные друг за другом, с помощью которых в непрерывном технологическом процессе изготавливается полая трубка, состоящая из внутренней и внешней оболочки. Это достигается с помощью системы управления, которая обеспечивает равномерный расход материалов для оболочек из экструдеров при температуре 2500єС, чтобы поддерживать требуемую толщину стенок, равную всего нескольким десятым миллиметра. Преимуществом двухслойной оболочки по сравнению с однослойной является большая свобода в выборе материалов и возможностей их комбинаций, благодаря чему можно облегчить решение механических и термических проблем. Недостатком же является необходимость более тонких настроек, использование более дорогостоящего оборудования и, как следствие, удорожание процесса производства.

При производстве защитной оболочки наполнитель, который не должен содержать ни воздуха, ни каких-либо примесей, подается в оболочку при постоянном давлении через инжекционную иглу. Это достигается либо использованием очищенного сырья — тиксотропного геля, либо использованием при подаче специальной установки, изгоняющей пузырьки воздуха из компаунда.

При изготовлении модулей с одним световодом особое внимание необходимо обратить на точную подгонку длины световода и оболочки. Для намотки изготовленных модулей применяется горизонтально (во избежание дополнительного давления одного слоя на другой) расположенный приемный диск или кассета, находящиеся рядом с установкой, и имеющие большую емкость (до нескольких километров). Технология производства модулей с несколькими волокнами полностью аналогична. Единственное отличие заключается в размерах оболочки. Модули имеют цветную оболочку, а световоды окрашены в разные цвета. Это упрощает задачу идентификации волокон при соединении многоволоконных кабелей.

При производстве модулей с большим количеством волокон необходимо учитывать, что волокна, окрашенные в различные цвета, имеют различный коэффициент трения с тиксоптропным гелем — гидрофобным наполнителем. Поэтому при выборе скорости схода волокон с отдающих катушек необходимо подбирать правильные режимы и строго контролировать длину волокон разных цветов в готовом модуле с высокой точностью (например, с использованием приборов типа ИД-2−3, компании ИИТ, работающих на методе фазового анализа). Также при настройке оборудования необходимо добиваться точного места укладки определенного волокна в модуле — в центре или на периферии. Невыполнение данных условий приводит либо к необходимости создания избыточной прочности защитных покровов оптического кабеля, либо к обрывам отдельных волокон в процессе эксплуатации.

Именно сочетание распрямления волокна и смещения его внутри модуля обеспечивают большой предел удлинения кабеля с модулями такого типа.

Далее, по мере натяжения модуля, волокно (в конструкции модульной скрутки) смещается к его оболочке в сторону центральной оси кабеля, но не растягивается.

Оптический сердечник.

Разнообразие областей применения световодов в системах волоконно-оптической связи требует, чтобы были разработаны самые разные конструкции кабелей с соответствующими размерами и материалами. Исходя из применения кабеля, выбираются типы модулей и соответствующая им конструкция сердечника кабеля и защитных покровов. Особое внимание уделяется предотвращению повреждений световодов в кабелях из-за воздействий окружающей среды, таких как перепады температуры и механические нагрузки.

Оптический сердечник, который образуется в результате скрутки оптических модулей, называется сердечником модульной скрутки. Сердечник, образованный на основе расположения модулей в пазах профилированного стержня, — профилированный оптический сердечник. Сердечник с центральным расположением модуля, имеющий трубчатую конструкцию называется трубчатый сердечник.

Сердечник модульной скрутки.

Центральный силовой элемент (ЦСЭ) сердечника модульной скрутки.

В целях увеличения механической прочности оптических кабелей модули скручивают вокруг центрального элемента, который является силовым элементом кабеля (ЦСЭ). При этом центральный элемент может служить для защиты от продольного изгиба и от растяжения. Поэтому он изготавливается из таких материалов, которые имеют большой модуль упругости и сохраняют устойчивость при колебаниях температуры в определенном диапазоне.

В качестве ЦСЭ кабеля может использоваться стальная проволока диаметром 2−3.5 мм (или тросик примерно такого же диаметра из нескольких проволок более тонкого сечения), вокруг которой укладываются модули, образуя скрутку. Недостатком такой конструкции оптического сердечника является существование проводника в центре оптического кабеля, что означает возможность повреждения оптических волокон при разряде молнии на проводнике — проволоке ЦСЭ. Таким образом, оптические кабели с металлическим ЦСЭ нельзя применять в случаях, когда отсутствуют грозозащитные элементы, например, непосредственно в грунт. Такие типы кабелей, согласно нашей классификации (см. Таблица 1), могут применяться в случаях 1 и ограниченно — в городской канализации 2. Известны случаи прокладки дополнительного грозозащитного проводника при использовании металлического ЦСЭ, что, на наш взгляд, является экономически неэффективным.

Для исключения металлических элементов в структуре оптического сердечника? в качестве ЦСЭ используется диэлектрический стержень. В большинстве случаев он выполнен из стеклопрутка, который получается в результате склеивания стеклянных нитей (ровингов) с помощью эпоксидной смолы. При особо высоких требованиях к прочности и гибкости ЦСЭ выполняют из арамидного прутка, в котором несущими являются арамидные нити. Однако, широкого распространения арамидный ЦСЭ не получил, из-за высокой удельной стоимости арамида как силового элемента.

Скрутка.

Благодаря скрутке световоды в модуле имеют определенное свободное пространство, при перемещении в пределах которого при растяжении, изгибе, сжатии не ухудшаются их передаточные характеристики. Наряду с модулями в различном исполнении, в скрутку могут быть дополнительно включены наполнители, т. е. просто полиэтиленовые элементы (кордели). Часто в комбинированных кабелях элементом скрутки являются изолированные медные жилы. Совокупность силовых и скручиваемых элементов, а также скрепляющей ленты или оболочки вокруг них, если такая имеется, называется сердечником кабеля.

Таблица 3 — Цветная кодировка модулей.

Самой распространенной в технике оптических кабелей является скрутка слоями или послойная скрутка. При этом скручиваемые элементы располагаются концентрически вокруг ЦСЭ в один или несколько слоев. Шаг спирали рассчитывается для того, чтобы предотвращать увеличение затухания в кабеле, вызываемое, прежде всего, изгибами кабеля в процессе его изготовления, при прокладке и при установке, а также вследствие колебаний температуры.

Если скручиваются отдельные элементы, например, модули или наполнители, то в этом случае говорят о кабеле повивной скрутки. Если же сердечник кабеля скручивается из элементов, состоящих из скрученных модулей, то такой кабель называется кабелем жгутовой скрутки. При использовании кабелей жгутовой скрутки плотность упаковки может быть существенно увеличена.

Если кабель предназначен для наружной прокладки, то пространство между модулями заполняется веществом (гидрофобным наполнителем), придающим кабелю водонепроницаемость по всей его длине. Поверх скрутки накладывается защитная наружная оболочка из полимера.

Заполнение сердечника.

Для обеспечения водонепроницаемости сердечника оптического кабеля по всей длине свободное пространство между модулями или волокнами заполняется специальным компаундом, состав которого не должен оказывать влияния на характеристики остальных элементов сердечника. Компаунд почти не вызывает набухания полимерной оболочки и имеет относительно малый коэффициент линейного расширения. Предохранительный слой из устойчивого к нефтепродуктам расплавленного связующего вещества, которое наносится вокруг сердечника экструзионным способом, служит, во-первых, дополнительным барьером для компаунда, а, во-вторых, как бесшовное соединение между устойчивой к нагрузке на растяжение защитной оболочкой или обмоткой сердечника и оболочкой кабеля, не уменьшая, при этом, ее гибкости.

Если продольная водонепроницаемость не требуется, например, для кабелей внутренней прокладки, то необходимость в заполнении сердечника компаундом отпадает. Чтобы защитить элементы сердечника от повреждений во время дальнейших технологических операций, а также, чтобы изолировать наполнители сердечника от силовых элементов кабеля, предотвращающих нагрузку на растяжение, и от материала оболочки, скручиваемые элементы покрываются одним или несколькими слоями тонкой полимерной пленки.

Для обозначения фирмы-производителя кабеля непосредственно поверх скручиваемых элементов, обычно параллельно оси кабеля, укладывается фирменная опознавательная нитка. Эта операция выполняется, как правило, во время наложения оболочки. По желанию заказчика дополнительно к опознавательной нитке можно добавить ленту для определения длины, которая представляет собой бумажную полоску шириной 6 мм с нанесенными метровыми метками.

Защитные покровы Защитные покровы должны предохранять сердечник оптического кабеля от:

— механических воздействий;

— тепловых воздействий;

— химических воздействий;

— воздействий влаги.

Силовые элементы защитных покровов.

Силовые элементы повышают механическую прочность кабеля. В ходе прокладки и после нее силовые элементы принимают на себя растягивающие напряжения, защищая от них волокно.

В качестве силовых элементов для оптических кабелей могут использоваться следующие материалы:

— стальная проволока;

— медная, алюминиевая или свинцовая трубка (обычно у подводного кабеля);

— стекловолокно;

— арамидные нити.

При этом защита от механических воздействий, в частности от продольных механических усилий, возникающих при прокладке и в процессе эксплуатации (особенно для воздушных самонесущих кабелей), обеспечивается силовыми элементами, а защита от тепловых и химических воздействий, влаги, а также от ряда механических воздействий, например, истирания или грызунов, обеспечивают внешняя и промежуточные оболочки.

Как правило, силовые элементы и металлические ленты (для защиты от грызунов) не рекомендуется накладывать непосредственно на оптический сердечник и в качестве промежуточного слоя накладывается промежуточная полимерная оболочка.

Стальная проволока.

Стальная проволока навивается поверх сердечника кабеля. Преимущество состоит в том, что кабель, усиленный таким образом, может выдерживать большие поперечные и продольные нагрузки, так как сталь характеризуется лучшей механической устойчивостью, по сравнению с другими материалами. Однако сталь является проводником, что представляет опасность при попадании грозовой молнии.

Круглая оцинкованная проволока используется, например, для бронирования кабелей с трубчатым сердечником. В процессе бронирования повив заполняется гидрофобным компаундом для предотвращения попадания воды в пустоты бронеповива.

Наружная оболочка.

Наружная оболочка кабеля состоит из одного или двух слоев полимера. Обычно для изготовления оболочки применяют следующие виды полимеров:

— полиэтилен (ПЭ);

— поливинилхлорид;

— полиамид;

— термопластический полиуретан.

Применяемые виды полимеров обладают различными термическими, механическими и электрическими свойствами. Прочность, стойкость к воздействию химикатов и воспламеняемость у них также различная.

Таким образом, правильный выбор материала для каждого конкретного изделия имеет большое значение.

2. Материалы.

2.1 Оптическое волокно.

Оптическое волокно — основной элемент, выполненный в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы, по которому осуществляется передача волн длиной несколько микрон, что соответствует диапазону частот Гц. Волокно, как правило, имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления и. Стеклянные волокна имеют как стеклянное ядро, так и стеклянную оптическую оболочку. Стекло, используемое в данном типе волокон, состоит из сверхчистого сверх прозрачного диоксида кремния или плавленого кварца. В стекло добавляют примеси, чтобы получить требуемый показатель преломления. Германий и фосфор, например, увеличивают показатель преломления, а бор и фтор, напротив, уменьшают его. Стеклянные волокна с пластиковой оптической оболочкой имеют стеклянное ядро и пластиковую оптическую оболочку. Пластические волокна имеют пластиковое ядро и пластиковую оптическую оболочку. По сравнению с другими видами волокон пластиковые имеют ограниченные возможности с точки зрения затухания и полосы пропускания. Пластиковые и PCS волокна не имеют защитных оболочек вокруг оптической оболочки.

Как упоминалось раньше, оптическое волокно должно изготовляться, по крайней мере, из двух материалов, различающихся показателем преломления. В мировой практике нашли применение следующие виды ОВ, отличающиеся материалами, из которых они сделаны.

Полимерные оптические волокна (ПОВ).

Изготавливаются на основе целого ряда полимерных материалов, из которых наиболее распространены полиметилметакрилат (сердцевина) и фторполимеры (оболочка). Лидером в исследовании ПОВ является Япония, откуда появились сообщения о получении образцов длиной 50…100 м с затуханием менее 50 дБ/км в области длин волн 850…1300 нм. В 2001 году было достигнуто затухание ~15 дБ/км с использованием нового химического процесса.

Перспективная область применения ПОВ — линии длиной 10…100 м с большим количеством подключений при отсутствии высоких требований к надежности и емкости сетей, в том числе локальные сети, сети доступа, датчики в автомобилях и военная техника (бортовые линии связи).

Кварц-полимерные оптические волокна.

Имеют сердцевину из кварцевого стекла и оболочку из полимерных материалов (кремнеорганичесие компаунды, телефоны). Коэффициент затухания равен 5…8 дБ/км на длине волны 850 нм. Преимуществом этих ОВ является сердцевина большого диаметра (200…1000 мкм), высокая механическая прочность, малая чувствительность к изгибам и повышенная стойкость к ионизирующим излучениям. Область применения — линии длиной несколько сотен метров.

Волокна из многокомпонентных силикатных стекол.

Разрабатывались для первых поколений линий связи, и их достоинством являлась возможность получения высокой числовой апертуры (до 0,6). Однако эти волокна не нашли применение в технике связи из-за невозможности получения высокого уровня параметров, в том числе коэффициента затухания, при промышленном производстве.

Волокна, прозрачные в среднем инфракрасном диапазоне.

Теоретические оценки показали, что существуют стеклообразные и кристаллические материалы, позволяющие создавать оптические волокна в среднем инфракрасном (ИК) диапазоне (2…11 мкм) с ультранизкими потерями дБ/км.

Материалы для оптического волокна среднего ИК-диапазона можно разделить на три группы:

— галогениды (стеклообразные и кристаллические);

— халькогениды;

— оксиды тяжелых металлов.

Несмотря на очень интенсивные исследования в этом направлении, практически значимых результатов в разработке оптических волокон, прозрачных в среднем ИК-диапазоне не достигнуто. Это связано с крайне сложными проблемами создания технологии получения таких волокон.

Кварцевые оптические волокна..

Имеют сердцевину из кварцевого стекла, легированного малыми добавками стеклообразующих компонентов (оксидов германия и фосфора, фтора) для изменения показателя преломления, и оболочку из кварцевого стекла.

Благодаря уникальному комплексу свойств, таких как прозрачность и ближней ИК-области спектра, высокая механическая прочность, вязкостные характеристики, обеспечивающие хорошую формуемость стекла, высокая химическая стойкость и стабильность характеристик, кварцевое стекло остается единственной средой передачи современных сетей связи.

Оценка предельно достижимой скорости передачи по кварцевому оптическому волокну (10…30 Тбит/с).

Защитные полимерные покрытия кварцевых волокон оптического волокна.

Несмотря на то, что предел прочности массивного кварцевого стекла очень высок (~ 20 ГПа), волокно, имеющее развитую поверхность по отношению к малому объему стекла, крайне чувствительно к поверхностным дефектам (микротрещинам, пылинкам), которые резко снижают его прочность, особенно в присутствии влаги и под действием высоких температур и напряжений. Для сохранения механической прочности и защиты поверхности оптического волокна наносят полимерные покрытия.

Защитные полимерные покрытия оптического волокна имеют, как правило, двухслойную структуру, что обеспечивает также защиту оптического волокна от внешних воздействий, которые могут привести к возрастанию оптических потерь. Причиной роста оптических потерь в оптическом волокне являются микроизгибы, возникающие при калибровании оптического волокна или изменениях температуры как следствие напряжений в конструкции «оптическое волокно — покрытия — кабельные компоненты».

Материалом современных покрытий оптического волокна являются уретанакрелаты двух типов, отверждаемые под действием ультрафиолетового излучения. Первый тип имеет модуль упругости, равный ~0,7 МПа, образует мягкий внутренний слой поверх кварцевой оболочки оптического волокна, защищающий оптическое волокно от внешних сжимающих усилий. Второй тип имеет модуль упругости почти на три прядка выше, образует твердый наружный слой, который обеспечивает прочность оптического волокна, его стойкость к абразивным воздействиям и влагозащиту.

Основными требованиями к защитным покрытиям оптического волокна являются стабильность характеристик в интервале рабочих температур и отсутствие взаимодействия с материалами кабеля (например, гидрофобным заполнителем и др.). Кроме того, покрытие должно обеспечить стабильную адгезию к оптическому волокну в течении всего срока службы и в то же время должно легко механически удаляться с помощью стриппера. Обычно усилие стягивания покрытий составляет 1,3…8,9 Н.

Краски (чернила) для оптических волокон..

Используются, в основном, «чернила» ультрафиолетового отверждения, наносимые на оптическое волокно для их цветового кодирования. «Чернила» обеспечивают стойкость цветовой окраски в течение всего срока службы оптического кабеля, не оказывают влияния на характеристики передачи оптического волокна, стойки к химическим материалам, применяемым в конструкциях оптического кабеля. «Чернила» прозрачны для оптического излучения, что обеспечивает возможность использования системы юстировки LID в автоматических аппаратах для сварки оптического волокна и возможность подключения к оптическому волокну оптических телефонов для организации служебной связи по оптическому волокну в процессе строительства и эксплуатации.

В оптическом модуле размещается как правило до 12 оптических волокон, для их окраски используются «чернила» преимущественно следующих цветов: голубой, оранжевый, зеленый, коричневый, серый, белый, красный, черный, желтый, фиолетовый, розовый, бирюзовый.

При размещении в оптическом модуле оптического кабеля от 14 до 36 волокон окраска оптического волокна производится как правило теми же цветами, однако с нанесением на оптическое волокно с номерами от 13 до 24 дополнительной сплошной цветовой полоски, а на оптическое волокно с номерами от 25 до 36 с нанесением дополнительной штриховой цветовой полоски.

Таблица 4 — Основные характеристики «чернил».

2.2 Полибутилентерефталат (ПБТ).

Твердый бесцветный полимер; среднечисловая молярная масса (27−40)· 103; коэффициент полидисперсности Mw/Mn?2, где Mw и Mn — среднемассовая и среднечисловая молярная массы соответственно.

В отличие от полиэтилентерефталата ПБТ — быстро кристаллизующийся полимер; максимальная степень кристалличности 60%. Обладает высокой прочностью, жесткостью и твердостью, стоек к ползучести, хороший диэлектрик. ПБТ обладает хорошими антифрикционными свойствами. Коэффициент трения у ПБТ значительно меньше, чем у полиeкапроамида и полиформальдегида.

В отличие от полиамидов у ПБТ благодаря незначительному водопоглощению сохраняются в условиях повышенной влажности высокие электроизоляционные и механические свойства. При длительном контакте с водой и водными растворами солей (напр. NaHCO3, Na2CO3, NaHSO3, KCl) ПБТ подвергается гидролитической деструкции: скорость процесса при комнатной т-ре ничтожно мала, но возрастает при повышенных температурах (800C).

Таблица 5. Характеристики полибутилентерефталата.

ПБТ растворяется в смесях фенола с хлорированными алифатическими углеводородами, в м-крезоле, не растворяется в алифатических и перхлорированных углеводородах, спиртах, эфирах, жирах, раститительных и минеральных маслах и различных видах моторного топлива. При 600 °C ограниченно стоек в разбавленных кислотах и разбавленных щелочах. Деструктируется в концентрированных минеральных кислотах и щелочах. По стойкости к действию химических реагентов и растрескиванию под напряжением превосходит поликарбонаты.

Для модифицирования свойств в ПБТ вводят (в кол-ве 2−80%) главным образом наполнители (стекловолокно, углеродное волокно, мел, BaSO4, тальк, графит или др.), антипирены (бром-содержащие органические вещества в сочетании с Sb2O3), полимеры (полиэтилентерефталат, поликарбонаты, термоэластопласты), красители.

2.3 Гидрофобные заполнители.

Все кабели бывают в такой ситуации, когда может быть повреждена оболочка. Кабели для наружной прокладки особенно подвержены воздействию воды и влаги, которая может проникнуть в кабель через небольшие дефекты оболочки или плохо выполненное соединение. В кабелях, которые постоянно подвержены сильному влиянию влаги, вода будет диффузировать через пластиковую оболочку, независимо от того, хорошо ли изготовлена или наложена оболочка. Для предотвращения диффузии воды внутрь кабеля перед наложением оболочки в некоторых конструкциях ОК на кабель накладывается слой металлической (алюминиевой или свинцовой) фольги.

Если вода проникнет внутрь кабеля со свободным пространством между волокнами или между трубками модулей, то она будет распространяться по сердечнику кабеля до тех пор, пока не достигнет наиболее низкой физической точки, где она будет собираться. Вода снижает срок службы кабеля, разрушая стекло. Также возникает риск того, что в результате высокой концентрации водорода будет возрастать затухание волокон.

Наилучшим способом предотвратить проникновение воды и влаги — это заполнить свободное пространство между волокнами, трубками, лентами с волокнами и оболочкой водозащитным материалом. Этот заполняющий материал может каким-либо образом влиять на волокна или пластиковые составляющие кабеля. Заполняющий материал предотвращает дальнейшее распространение воды в кабеле и таким образом ограничивает риск повреждения оболочки.

В качестве водоблокирующих материалов в ОК могут использоваться гидрофобные компаунды, разбухающие порошки, ленты, нити или комбинации этих материалов. Заполняющий компаунд, разбухающие порошки или нити должны вводиться в промежутки между элементами с оптическими волокнами (трубками оптических модулей, модулями профильной конструкции). Компаунд, поглощающий гидроксильные группы, может быть использован в качестве заполнителя трубки ОМ или паза модуля профильной конструкции. Обычные компаунды используются для заполнения свободного пространства и пространства между скрепляющими лентами сердечника кабеля, лентами брони кабеля. Разбухающая лента наносится, как правило, поверх элементов с ОВ или поверх сердечника кабеля.

Гидрофобные компаунды, используемые в качестве заполнителей оптических модулей, помимо задачи защиты ОВ от воздействия влаги выполняют также функцию амортизатора для ОВ при механических воздействиях на ОК, а также функцию смазки, уменьшающей трение между ОВ и стенкой оптического модуля.

Гидрофобные заполнители отличаются диапазоном рабочих температур и назначением: внутримодульные заполнители, применяемые для заполнения модулей с ОВ, и межмодульные заполнители, применяемые для заполнения свободного пространства в сердечниках ОК и в бронепокровах, выполняемых из стальных проволок или стеклопластиковых стержней.

Внутримодульные заполнители характеризуются значительно более высокими предъявляемыми к ним требованиями и имеют меньшую вязкость по сравнению с межмодульными заполнителями.

Ключевыми параметрами для ГЗ являются:

— физические характеристики (блокирование распространения воды, вязкость, предел текучести, рабочая температура, технологическая стабильность, дренажные свойства и минимальное маслоотделение);

— химические характеристики (совместимость с акрилатными покрытиями волокна, с окрашивающими покрытиями волокна, с полимерными материалами, используемыми в конструкции кабеля);

— стоимость.

Композиции компаундов выбирают таким образом, чтобы обеспечить приемлемые реологические характеристики. Эти характеристики влияют на величину излишка волокна в трубках, стабильность технологического процесса введения компаунда в трубку, производительность процесса, дренажные свойства материала.

Критическое значение предела текучести обусловливается усилием, необходимым для начала истечения желеобразного компаунда. Величина предела текучести должна находиться в определенных пределах, для того чтобы не оказывать влияния на передающие характеристики оптического волокна. Высокое значение предела текучести (>70 Па) может способствовать возникновению напряжений, воздействующих на оптическое волокно. В то же время низкое значение предела текучести (< 25 Па) может повысить дренажные свойства компаунда, что ухудшает водоблокирующие характеристики материала.

Масла, содержащиеся в желеобразных компаундах, не должны вызывать набухания или повреждения акрилатного покрытия оптического волокна. Эта фирма провела испытания оптических волокон после ускоренного старения с целью определения критических напряжений, которые могут привести к образованию дефектов в покрытии оптического волокна. Соответствующие испытания были проведены также на окрашенных оптических волокнах, что позволило оценить стойкость кодирующей окраски к действию водоблокирующих компаундов.

Водоблокирующие компаунды не должны негативно влиять на полимерные материалы, которые используются в конструкциях волоконно-оптических кабелей. Для оценки возможного влияния были проведены испытания на абсорбцию по методу Дамббела при температуре 70 °C в течение 28 суток. Значения величины абсорбции составили для полибутилентерефталата — 0%, для полиэтилена высокой плотности — 5%, для полиэтилена средней плотности — 6%.

Приведем некоторую информацию по водоблокирующим компаундам фирмы Optifil.

Optifil-4900. Совместим с полипропиленом. Рабочие температуры — от — 400С до +850С.

Optifil-5264. Совместим с полибутилентерефталатом. Рабочие температуры — от -600С до +800С. Применяется в ленточных волоконно-оптических кабелях для заполнения трубок большого диаметра.

Optifil-5264С. Совместим с полибутилентерефталатом. Рабочие температуры — от -600С до +1000С. Применяется в ленточных волоконно-оптических кабелях для заполнения трубок большого диаметра.

Optifil-5270. Совместим с полибутилентерефталатом. Рабочие температуры — от -600С до +1000С. Применяется при изготовлении волоконно-оптических кабелей на высокоскоростных экструзионных линиях.

Optifil-5300. Модификация оптифила-5270. Совместим с полибутилентерефталатом. Стоимость материала снижена за счет одновременного снижения температурных и реологических характеристик.

Гидрофобные заполнители марки TFC фирмы MWO GmbH.

Гидрофобные заполнители марки TFC — сверхчистые, тиксотропные продукты с низкой вязкостью и высокой прозрачностью. Они изготавливаются двух типов: ТТС 1529 и TFC 1129 (табл. 6).

Заполнители TFC совместимы с материалами, используемыми в ОК.

Заполнитель типа TFC 1529 — нестекающий компаунд, имеет стабильные характеристики до -40°С. Свободен от силиконовых масел.

Заполнитель типа TFC 1129 — нестекающий компаунд со стабильными характеристиками до -60°С. Свободен от силиконовых масел.

Таблица 6 — Основные технические характеристики заполнителей марок TFC 1529 и TFC 1129.

Гидрофобные заполнители фирмы Henkel KGaA.

Гидрофобные заполнители марок Macroplast CF 250, 300 и 320 используются для заполнения модулей с ОВ. Заполнители этих марок могут вводиться в ОК при нормальной температуре, каплепадение отсутствует при температуре до 100 °C. Заполнители не оказывают воздействия на ОВ, совместимы с полимерными материалами ОК, остаются вязкими при температуре до -80°С, не содержат силикона и неорганических заполнителей.

Гидрофобный заполнитель марки Macroplast CF 290 (табл. 7) предназначен для заполнения межмодульного пространства и защищает элементы ОК от воздействия влаги. Изготавливается на основе углеводородов и синтетических полимеров. Цвет заполнителя янтарный.

Таблица 7 — Основные технические характеристики гидрофобных заполнителей Macroplast CF 290.

Гидрофобные заполнители фирмы ВРLС (Франция).

Гидрофобные нетоксичные заполнители №ріе1 предназначены для внутримодульного (Naptel 308) и междумодульного (Naptel 851, 842, 827, 867) заполнения ОК. Производятся на основе полиизобутилена с добавлением воска (табл 8, 9). Изготавливаются в виде гомогенного вязкого геля белого цвета.

Таблица 8 — Основные технические характеристики гидрофобного заполнителя Naptel 308.