Оптоволокнистый кабель

Как это делают?

Телекоммуникационные волокна, да и многие другие, в 99.9% случаев изготавливаются из чистого кварцевого стекла. Химическая формула SiO2. Оконные стекла изготавливаются из него же, но с примесями, блокирующими УФ излучение: Na2C03, К2СО3, СаС03. На Википедии про диоксид кремния достаточно информации. Да, гибкие оптические волокна действительно сделаны из стекла — некоторые мне так и не поверили. Стереотип о том, что стекло не гнется, а колется и бьется въелся в людские головы прочно.

Хорошо известно, что стекло имеет аморфную структуру, а значит, не имеет фиксированной температуры плавления, как кристаллические вещества. Стекло при нагревании размягчается и становится вязким и из него легко можно вытянуть «нитку». Впрочем, такое волокно, хоть и гнется, весьма хрупкое, поскольку на его поверхности быстро образуются микротрещины, которые и разрушают волокно при возрастании напряжения на их поверхности при изгибе. Свежевытянутое волокно сразу же покрывается полимерной пленкой, защищающей от микротрещин. Но обо всем по порядку.

Опишу «классическую» схему изготовления телекоммуникационных одномодовых волокон с осаждением из газовой фазы. Сначала берется стеклянная труба длиной около метра или чуть более и толщиной несколько сантиметров. Внутри она полая. Ее внутренний диаметр определяет толщину светонесущей сердцевины. Основное отличие такого стекла – очень высокая степень очистки от примесей и OH-групп. Это необходимо для того, чтобы волокно имело максимальную прозрачность. Труба укладывается на станок и начинает вращаться вокруг своей оси, постепенно прогреваясь горелкой с температурой 1200-1500°С. С торца в трубу под давлением вдувается смесь газов O2, SiCl4, GeCl4, и др., предусмотренные технологией.

На поверхности горячей стеклянной трубы-заготовки происходит эпитаксия диоксида германия и SiO2. Диоксид германия повышает показатель преломления чистого кварца и практически не оказывает влияния на прозрачность. Нужный профиль показателя преломления сердцевины выращивается из газовой фазы путем регулирования соотношения газов, подаваемых в заготовку.

После наращивания слоя нужной толщины увеличивается температура горелки. Стекло размягчается сильнее и полость сердцевины, через которую продували газ, постепенно схлопывается под действием поверхностной силы натяжения. Выглядит это примерно так:

А так выглядят готовые к вытяжке заготовки:

Получается цельный стеклянный стержень с повышенным показателем преломления внутри – это будущая световедущая сердцевина. Затем стержень устанавливается вертикально и горелка разогревает его нижний конец, размягчая его сильнее. К заготовке подносится затравка, после чего начинается процесс вытягивания. Кто когда-нибудь клеил клеем а-ля «Момент» прекрасно представляет на что это похоже.

Схема башни для вытяжки оптоволокна:

Аппарат по вытяжке волокна занимает 2-3 этажа:

А вот так выглядит вытягиваемое волокно сразу после печки.

Современные башни для вытяжки волокна обвешаны датчиками, которые постоянно измеряют его толщину, эксцентриситет и другие отклонения.
Сразу после вытяжки на той же башне волокно покрывают защитным полимером и сматывают на катушки. Защитный полимер предохраняет стекло от появления микротрещин и внешних повреждений. Получившееся в итоге волокно в полимерной оболочке имеет толщину 0.25-0.4мм в зависимости от толщины слоя покрытия. Внешне практически не отличается от обыкновенной рыболовной лески. Часто оболочку волокна окрашивают в различные цвета, чтобы при монтаже их было легко различать. У многих возникает вопрос о прочности волокна. Кажется, что порвать его должно быть очень легко, ведь стекло хрупкое. На самом деле это не так. Конечно, разорвать его голыми руками можно, приложив определенное усилие. Но разорвать леску аналогичной толщины несколько проще. Оптоволокно действительно весьма прочное на разрыв. Но оно не терпит перегибов – иначе я бы уже давно ловил им рыбу. Его без проблем можно намотать на палец или даже тонкий карандаш, но завязать в узел, даже не затягивая, не получится – оно обломится.

Процесс изготовления всех кварцевых оптических волокон приблизительно одинаков. А вот далее их судьбы могут сильно отличаться в зависимости от свойств. Телекоммуникационные волокна отправляются на другую фабрику или в соседний цех, где их укладывают в кабели разнообразных конструкций: от простейшего шнура оптического патчкорда или пигтейла до толстенных кабелей для подводного межконтинентального проложения. Почувствуйте разницу:

Пигтейлы с одномодовым волокном:

Волоконно-оптический кабель для подводной прокладки:

В такой кабель, разумеется, укладывается не одно волокно, а несколько десятков, а то и сотен. Об укладке таких кабелей, если память мне не изменяет, на Хабре уже когда-то писалось.

Что же касается производителей волокна, то существует их очень много. Гиганты в производстве телекоммуникационных волокон Fujikura и Corning (которые делают Gorilla Glass). Они производят большую часть телекоммуникационных волокон. Так же стоит отметить таких производителей как Draka, Fibercore, Nufern, Samsung, Ceramoptec, OFS, NKT Photonics и другие. Даже в России производятся оптические волокна, например на Питерском предприятии НИТИОМ и др. К сожалению, говорить о серьезном массовом производстве высококачественных дешевых волокон для телекома в России пока не приходится – под натиском дешевой качественной продукции Китайских, Японских, Американских и Европейских производителей наши предприятия не выдерживают конкуренции. То волокно, что производится у нас, в основном, специализированное и узкопрофильное.

А вот оптические кабели, кстати, в России производятся весьма интенсивно. Но о процессе изготовления оптоволоконных кабелей различной конструкции говорить тут не буду, поскольку это тема отдельной статьи. Если будет интересно, раскрою и её.

Как это работает?

Теперь представим, что имеем лист стекла в воздухе. Если посветить ему в торец лазерной указкой под небольшим углом к плоскости поверхности, то ее свет, многократно отразившись, выйдет с другой стороны этого стекла – это работает явление ПВО. А теперь возьмем стеклянный стержень – эффект будет тот же. В данном случае свет ограничен не в одной, а уже в двух плоскостях, разумеется, если угол падения света не превышает угла ПВО.

А вот если стеклянный стержень мы заменим прозрачной леской, то и в ней свет будет распространяться, но его уже можно будет «согнуть». Разумеется, до тех пор, пока радиус изгиба достаточно велик. Когда радиус изгиба становится малым, свет будет выходить в этом месте из лески, поскольку угол падения света на поверхность лески будет больше угла ПВО. Заметьте, у лески нет зеркального покрытия, свет держится в ней сам. Примерно так и работают оптические световоды. Свет в них распространяется до тех пор, пока не нарушится закон ПВО и свет не выйдет из световедущей жилы. Оптическое волокно, по своей сути, та же леска в декоративном светильнике, но имеет более сложную структуру.

Вообще, оптических волокон существует огромное количество видов, различающихся формой, размером, материалом, покрытием, свойствами, областями применения и т.д. Обзор и сравнение различных типов волокон – это тема для отдельной огромной статьи. Однако все эти волокна конструктивно объединяет одно: у них есть светонесущая сердцевина (core) с бОльшим показателем преломления и оболочка (cladding) с меньшим показателем преломления. За счет этого достигается эффект ПВО. Что касается размеров волокон, то, в зависимости от конструкции и области применения, они могут быть от 50мкм до 1мм и более в диаметре (имеется в виду само волокно без защитных оболочек). Накладывание различных защитных оболочек увеличивает диаметр волокна в разы. В этой статье я рассмотрю только самые простые и распространенные типы волокон, применяющихся в телекоммуникациях. Если возникнет интерес, поговорим и о других.

Немного об усилении, спектральном уплотнении и расчете

Обычно канал связи организовывается по двум волокнам. В понимании телекомщиков в большинстве случаев любой канал связи дуплексный, т.е. идет одновременная передача из узла А в Б и из Б в А. Осуществляется она, обычно, по двум волокнам: из передатчика (Тх) в пункте А в приемник (Rx) узла Б и из Tx Б в Rx А. Свет не является трамваем на рельсах, он нематериален и может распространяться по одному волокну в обе стороны одновременно практически без взаимодействия. Вопрос лишь в том, как на входе и выходе разделить передаваемый и принимаемый сигнал. Способы есть, и их несколько. Вообще, каждое волокно в кабеле имеет огромный потенциал передачи информации, но количество волокон в любом кабеле конечно. Использовать пару волокон для организации одного дуплексного канала, да еще если в нем и невысокая скорость – верх расточительства.

Конечно, можно проложить больше кабелей – сам волоконно-оптический кабель не так уж и дорог – дорого его согласование и прокладка. Экстенсивно расширять пропускную способность и количество каналов путем прокладки новых кабелей – глупость, если у нас по паре волокон работает лишь один канал. Необходимо увеличивать количество каналов в паре волокон (или вообще в одном волокне), чтобы использование кабеля и волокна стало более выгодным. Как можно запихнуть максимальное количество информации в волокно? Для начала, следует агрегировать информационные потоки – электрическими методами. Если вы думаете, что, когда разговариваете с человеком в другой стране или городе по скайпу или смотрите онлайн фильм с удаленного хостинга, вам выделяется отдельная пара волокон на все время сеанса, вы сильно заблуждаетесь. На самом деле ваш траффик делится на пакетики и многократно объединяется с траффиком других пользователей и в виде большущего цифрового контейнера отсылается по волокну. На приемной стороне происходит разборка этого контейнера и ваш маленький пакетик траффика отправляется далее адресату. Агрегация каналов – отличный способ увеличить эффективность использования линии, ведь вместо большого количества «худых» каналов по куче волокон можно передать один «толстых» канал всего лишь по одной паре. Кстати, первым узлом агрегации можно считать ваш домашний WiFi роутер, который собирает в один информационный поток траффик с ваших телефонов, ноутбуков, пк, планшетов и т.д. и отсылает в сторону провайдера.

А вот если у нас уже имеется много агрегированных «толстых» каналов, а свободных волокон всего лишь пара, то приходится организовывать другой тип уплотнения – оптическими методами, или спектральное уплотнение. Суть его заключается в том, что для каждого «толстого» канала выделяется определенная частота (длина волны света, свой лазер) из набора стандартизированных длин волн. Именно эта длина волны модулируется сигналом. Таких несущих модулированных волн набирается несколько, они мультиплексируются в одно волокно и в виде такого набора засылаются по волокну. Удобно и эффективно. Выделяют технологию CWDM (coarse wavelength division multiplexing), позволяющую организовать до 16 каналов по паре волокон или до 8 по одному, и DWDM (dense wavelength division multiplexing), имеющую гораздо больший потенциал в уплотнении. Суть CWDM и DWDM схожа, основная разница лишь в частотном плане. По приведенным ссылкам наличествует отличное описание обеих технологий.

Трансконтинентальные и магистральные каналы связи имеют очень высокую степень агрегированности и спектрального уплотения. Сети уровня городов и областей обычно ограничиваются агрегированностью до 10-40Гбит/с на канал с уплотнением до 10-15 каналов и обходятся обыкновенными трансиверами, но бывают и исключения. А вот сети районов редко выходят за рамки простой технологии CWDM со скоростями до 10Гбит/с на канал. Что касается домов, то разводка по подъезду чаще всего осуществляется уже медным кабелем. В подъездный маршрутизатор входит оптика, а из него по квартирам расходится витая пара.

Какими бы хорошими волокна ни были, затухание, пусть и малое, присутствует. Свет в волокне ослабляется. Пройдя расстояние 80км, свет затухнет приблизительно на 20дБ — в 100 раз, это без учета потерь на соединениях, сварках, неоднородностях, мультиплексорах и т.п. Для организации протяженных линий связи необходимо использовать усилители и регенераторы сигнала. Регенератор производит полное оптоэлектронное преобразование, восстановление формы сигнала и его ресинхронизацию (3R-регенерация) с последующим переизлучением в волокно. Они дороги и весьма сложны. Усилители, в отличие от 3R преобразователей, лишь усиливают сигнал, увеличивая их амплитуду, но они значительно проще и дешевле. Еще одно их преимущество: они усиливают сразу все каналы.

Усилители применяются, главным образом, к DWDM системам. Оптический усилитель – это не обыкновенный радиочастотный операционник на микросхеме, ведь полупроводниковая электроника тут не работает. Оптический усилитель, по сути, — это лазер, не имеющей резонаторной области и работающий «в один проход». Существует несколько разных видов таких усилителей, но наиболее распространенные – EDFA, усилители на волокне, легированном эрбием. Если коротко, то активная среда формируется в сердцевине легированного волокна под действием накачки на 980 или 1490нм. Сигнальное излучение, входящее в активную среду, вызывает вынужденную эмиссию фотонов, которые складываются с сигналом, усиливая его. Принцип лазера. EDFA вносят шум, который ограничивает количество применяемых каскадов усиления и требует учета при расчете и проектировании линий связи с усилением.

Про компенсацию дисперсии я уже упоминал. Дисперсионные искажения сигнала накапливаются, искажая и расширяя сигнальные импульсы. Коррекция дисперсии при проектировании протяженных линий связи выполняется с помощью модулей компенсации дисперсии, DCM (dispersion compensation module). Обычно не считают временное расширение импульса, а говорят, что нужно, например «скомпенсировать 40км волокна».
Предварительный расчет ВОЛС сводится к учету всех затуханий по трассе от Tx до Rx и по обратному направлению, учету хроматической дисперсии, учету вносимого усилителями шума. В простейшем случае, если не требуется усиления и компенсации дисперсии, рассчитываются только затухания от Tx до Rx, к ним прибавляется технологический запас в 3-6дБ на «старение» линии и сравнивается с оптическим бюджетом пары трансиверов (приемопередающих модулей), на которых планируется организовывать связь. Если бюджет трансиверов превышает расчетную величину – их можно использовать для организации линии связи. Если расчетная величина больше, то придется подбирать более «мощные» или чувствительные трансиверы или искать альтернативные пути решения вплоть до перехода на усиливаемые длины волн и установки усилителей.

Тема проектирования и расчетов линий связи по оптике очень широка и полна нюансов, ей может быть посвящена не одна статья. Если читателя заинтересуют эти вопросы, я постараюсь ответить на них в будущих публикациях и комментариях.

Я не рассказал подробно о спектральном уплотнении и мультиплексорах, измерительном оборудовании, сварке волокон и изготовлению кабелей, моделированию усилителей, не рассказал об элементной базе и о многом другом, о чем хотел бы поведать. К сожалению, все вместе это не поместится ни в одну статью.

Публикация получилась немного сумбурная и поверхностная. Она носит обзорно-ознакомительный характер, чтобы понять, какие из представленных в ней направлений представляют наибольший интерес для читателей.

Зачем все это нужно? Небольшой экскурс в историю

Теперь, наверное, самое интересное. Поговорили о процессе изготовления и немного о физических принципах работы. Ну а сейчас разберемся в том, почему, собственно, волоконная оптика нынче является основой современных телекоммуникаций.

Генерировать траффик мы умеем. Развитие полупроводниковой техники привело к колоссальному росту вычислительной мощности компьютеров. Это не могло не привести к росту и объемов генерируемой информации. Но мало толка от огромных залежей информации, если ее нельзя быстро передать. Как передать большое количество информации на расстояние быстро? Правильно, нужно взять высокоскоростной канал связи. А вот тут человечество в какой-то момент своего технологического развития уткнулось в проблему. К определенному времени пришло осознание, что нет достаточно скоростных каналов связи. А если они теоретически и есть, то непомерно дороги и сложны. Конечно, все это было давно, когда компьютеры были большими. Но уже тогда вопрос расширения каналов возникал все отчетливее. К 60-70м он уже требовал решения, несмотря на то, что объем информации, генерируемый вычислительными машинами был ничтожен по сравнению с тем трафиком, который источали телефонные сети, телевидение и радио. Это сейчас все иначе.

Нам известно, что информацию можно передавать электромагнитными волнами. Они могут распространяться как в воздухе (вакууме), так и по проводам – медным коаксиальным или витым. Вполне очевидно, что какой бы информация ни была – аналоговой или цифровой – скорость ее передачи зависит от частоты электромагнитной волны, несущей эту информацию. Чем выше частота несущей, тем больше может быть скорость передачи информации. Таким образом, вполне очевидно, что для увеличения скорости передачи в любой среде нужно принципиально увеличить частоту несущей. Это важно.

Теперь вспомним курс физики из школы – урок про электромагнитные волны. Представим шкалу частот электромагнитных волн:

Представили? Радиоволны и микроволны – инфракрасный свет – видимый свет – ультрафиолетовый – рентген – гамма излучение. Картинка из учебника по физике. Дальний инфракрасный свет условно граничит с радиодиапазоном, а ближний ИК – это уже оптический диапазон, в который входит и видимый свет. На каких частотах у нас работает радио? Сотни мегагерц. А WiFi, Bluetooth и т.д.? Несколько гигагерц. Можно и дальше увеличить частоту радиосигнала. Но генератор высокой частоты, особенно на большие мощности, необходимые для передачи на большие расстояния – штука нетривиальная и весьма сложная. Полупроводниковая электроника имеет «потолок» рабочих частот. Это уже фундаментальное ограничение – pn-переход просто не может работать быстрее. Самый быстрый полупроводниковый транзистор работает на частоте около 1ТГц при температуре 4.7К. А в 60-е годы о такой частоте и не мечтали. Стало быть, в радиодиапазоне дальше частоту уже не повысить. Нужен новый источник высокочастотных электромагнитных колебаний с гораздо более высокой частотой.

Какие доступные источники достаточно высокочастотных электромагнитных колебаний можно предложить? Если взглянуть на картинку выше, можно увидеть, что дальше по шкале частот от радиоволн идет ИК и видимый свет. Свет генерировать мы можем, кое-как управлять им – тоже. Уже хорошо. В 1960-м году появляется первый в мире лазер. Лазер – это генератор высокочастотных электромагнитных волн с определенной частотой, световых волн. В отличие от лампочки, лазер генерирует очень узкий спектр, почти одну длину волны. Да и излучение у него когерентное. Стало быть, лазер подходит на роль генератора несущей частоты для высокоскоростной передачи данных. Частоты ближнего ИК – сотни ТГц – частота выше традиционных радиоволн на 4-5 порядков. Источник несущей высокочастотной электромагнитной волны появился, возникла и перспектива развития высокоскоростной передачи данных.

Первый газовый лазер показал теоретическую возможность создания когерентного источника электромагнитных волн световой частоты. Появление и развитие других видов лазеров – дело времени, ибо принципы их работы стали широко известны. Но вопрос передачи такого высокочастотного электромагнитного излучения на большие расстояния стал крайне актуален. Свет живет по законам оптики, в отличие от радиоволн, а значит, надо было найти аналог коаксиальным кабелям, только для света.

Уже в 1966 году исследователи Као и Хокам из STC Laboratory представили первые оптические световоды в виде нитей из обыкновенного стекла. Затухание света в них составляло около 1000дБ/км, что делало невозможным передачу какого-либо сигнала на большие расстояния. Такие потери обуславливались наличием большого количества примесей в стекле.

В 1970м появились оптические волокна производства фирмы Corning, имевшие затухание около 20дБ/км. Сейчас такие величины кажутся несовместимыми с передачей данных, однако тогда они казались приемлемыми для организации связи по волокну. Примерно в то же время были изобретены достаточно компактные полупроводниковые лазеры на арсениде галлия. С 1975 по 1980 была реализована первая коммерческая линия связи со скоростью 45Мбит/с., а уже в 1988м был проложен первый трансатлантический оптоволоконный кабель.

Как «согнуть» свет? Или краткий экскурс в мир волоконной оптики

Время на прочтение

Доброго дня, читатель! Наверняка каждый слышал о волоконной оптике, многие имели с ней дело в телекоммуникациях, у кого-то даже проведен оптоволоконный кабель в дом. В общем, этот термин на слуху; да и суть вопроса – передача света на расстояние по тонкому волокну – в общем виде понятна. Но я предлагаю немного углубиться в эту технологию, во многом изменившую мир. В этом посте я постараюсь простым и понятным языком объяснить суть волоконной оптики, как это работает – на уровне простого физического понимания, с упрощениями и примерами, без страшных формул. Иными словами, «на пальцах». Если интересно, то добро пожаловать под кат. Осторожно: много текста, наличествуют картинки.

Волею судеб так уж сложилось, что мое образование, а потом и профессиональная деятельность плотно связана с оптическим волокном и лазерами. Некоторое время проработав в телекоме, а потом перейдя в область научной разработки и измерений, имел возможность заметить, что с оптическим волокном на уровне глубокого понимания знакомы далеко не все даже среди технарей-лазерщиков и телекомщиков. Те, кто занимаются телекомом, в большинстве своем воспринимают волокно на уровне «патчкорда» или кабеля. Для них – это коммутационный шнур или абстрактная линия связи. Да, с затуханием, дисперсией, сварками и рефлектограммами, но лишь с поверхностным пониманием физического принципа работы. Безусловно, это вовсе не плохо, просто таковы особенности их работы. Во всяком случае, желание написать научно-популярную статью по самой сути волоконной оптики возникало неоднократно, тем более что образование и опыт позволяют это сделать: все, что написано в этой статье не только «материал из учебников», но еще и мой личный опыт. С одной стороны, хочется подробно остановиться на многих моментах, а с другой — статья получится слишком большого объема. Решено сделать так: эта статья вводно-обзорная. Если у общественности возникнет интерес, последует цикл постов, посвящённых наиболее интересным вопросам в обширной оптоволоконной теме. Надеюсь, будет интересно. Итак, поехали!

Оптоволоконные кабели связи. Как это делается

В нескольких своих постах, опубликованных более года назад, я поднял такую интересную для многих и чем-то захватывающую тему, как магистральные оптоволоконные кабели связи, в частности, тему «подводной» оптики. Информация в данных публикациях была неполной, торопливой и разрозненной, так как статьи писались «на коленке» во время обеденного перерыва. Сейчас я бы хотел поделиться структурированным и, насколько это возможно, полным материалом по теме оптики, с максимумом вкусных подробностей и гик-порно, от которых на душе любого технаря станет тепло.

Внутри схемы, гифки, таблицы и много интересного текста.

Условная классификация

В отличие от всем нам знакомой витой пары, которая вне зависимости от места применения имеет примерно одну и ту же конструкцию, оптоволоконные кабели связи могут иметь значительные отличия исходя из сферы применения и места укладки.

Можно выделить следующие основные виды оптоволоконных кабелей для передачи данных исходя из области применения:

• Для прокладки внутри зданий;
• для кабельной канализации небронированный;
• для кабельной канализации бронированный;
• для укладки в грунт;
• подвесной самонесущий;
• с тросом;
• подводный.

Наиболее простой конструкцией обладают кабели для прокладки внутри зданий и канализационный небронированный, а самыми сложными — для прокладки в землю и подводные.

Кабель для прокладки внутри зданий

Оптические кабели для прокладки внутри зданий разделяют на распределительные, из которых формируется сеть в целом, и абонентские, которые используются непосредственно для прокладки по помещению к конечному потребителю. Как и витую пару, прокладывают оптику в кабельных лотках, кабель-каналах, а некоторые марки могут быть протянуты и по внешним фасадам зданий. Обычно такой кабель заводят до межэтажной распределительной коробки или непосредственно до места подключения абонента.

Конструкция оптоволоконных кабелей для прокладки в зданиях включает в себя оптическое волокно, защитное покрытие и центральный силовой элемент, например, пучок арамидных нитей. К оптике, прокладываемой в помещениях, есть особые требования по противопожарной безопасности, такие как нераспространение горения и низкое дымовыделение, поэтому в качестве оболочки для них используется не полиэтилен, а полиуретан. Другие требования — это низкая масса кабеля, гибкость и небольшой размер. По этой причине многие модели имеют облегченную конструкцию, иногда с дополнительной защитой от влаги. Так как протяженность оптики внутри зданий обычно невелика, то и затухание сигнала незначительно и влияние на передачу данных оно не оказывает. Число оптических волокон в таких кабелях не превышает двенадцати.

Также существует и своеобразная помесь «бульдога с носорогом» — оптоволоконный кабель, который содержит в себе, дополнительно, еще и витую пару.

Небронированный канализационный кабель

Небронированная оптика используется для укладки в канализации, при условии, что на нее не будет внешних механических воздействий. Также подобный кабель прокладывается в тоннелях, коллекторах и зданиях. Но даже в случаях отсутствия внешнего воздействия на кабель в канализации, его могут укладывать в защитные полиэтиленовые трубы, а монтаж производится либо вручную, либо при помощи специальной лебедки. Характерной особенностью данного типа оптоволоконного кабеля можно назвать наличие гидрофобного наполнителя (компаунда), который гарантирует возможность эксплуатации в условиях канализации и дает некоторую защиту от влаги.

Бронированные оптоволоконные кабели используются при наличии больших внешних нагрузок, в особенности, на растяжение. Бронирование может быть различным, ленточным или проволочным, последнее подразделяется на одно- и двухповивное. Кабели с ленточным бронированием используются в менее агрессивных условиях, например, при прокладке в кабельной канализации, трубах, тоннелях, на мостах. Ленточное бронирование представляет собой стальную гладкую или гофрированную трубку толщиной в 0,15-0,25 мм. Гофрирование, при условии, что это единственный слой защиты кабеля, является предпочтительным, так как оберегает оптоволокно от грызунов и в целом повышает гибкость кабеля. При более суровых условиях эксплуатации, например, при закладке в грунт или на дно рек используются кабели с проволочной броней.

Кабель для укладки в грунт

Для прокладки в грунт используют оптические кабели с проволочной одноповивной или двухповивиной броней. Также применяются и усиленные кабели с ленточным бронированием, но значительно реже. Прокладка оптического кабеля осуществляется в траншею или с помощью кабелеукладчиков. Более подробно этот процесс расписан в моей второй статье по этой теме, где приводятся примеры наиболее распространенных видов кабелеукладчиков. Если температура окружающей среды ниже отметки в -10 оС, кабель предварительно прогревают.

В условиях влажного грунта используется модель кабеля, оптоволоконная часть которого заключена в герметичную металлическую трубку, а бронеповивы проволоки пропитаны специальным водоотталкивающим компаундом. Тут же в дело вступают расчеты: инженеры, работающие на укладке кабеля, не должны допускать превышения растягивающих и сдавливающих нагрузок сверх допустимых. В противном случае, сразу или со временем, могут быть повреждены оптические волокна, что приведет кабель в негодность.

Броня влияет и на значение допустимого усилия на растяжение. Оптоволоконные кабели с двухповивной броней могут выдержать усилие от 80 кН, одноповивные — от 7 до 20 кН, а ленточная броня гарантирует «выживание» кабеля при нагрузке не менее 2,7 кН.

Подвесной самонесущий кабель

Подвесные самонесущие кабели монтируются на уже существующих опорах воздушных линий связи и высоковольтных ЛЭП. Это технологически проще, чем прокладка кабеля в грунт, но при монтаже существует серьезное ограничение — температура окружающей среды во время работ не должна быть ниже — 15 оС. Подвесные самонесущие кабели имеют стандартную круглую форму, благодаря которой снижаются ветровые нагрузки на конструкцию, а расстояние пролета между опорами может достигать ста и более метров. В конструкции самонесущих подвесных оптических кабелей обязательно присутствует ЦСЭ — центральный силовой элемент, изготовленный из стеклопластика или арамидных нитей. Благодаря последним оптоволоконный кабель выдерживает высокие продольные нагрузки. Подвесные самонесущие кабели с арамидным нитями используют в пролетах до одного километра. Еще одно преимущество арамидных нитей, кроме их прочности и малом весе, заключается в том, что арамид по природе своей является диэлектриком, то есть кабели, изготовленные на его основе безопасны, например, при попадании молнии.

В зависимости от строения сердечника различают несколько типов подвесного кабеля:

• Кабель с профилированным сердечником — содержит оптические волокна или модули с этими волокнами – кабель устойчив к растяжению и сдавливанию;
• Кабель со скрученными модулями — содержит оптические волокна, свободно уложенные, кабель устойчив к растяжениям;
• Кабель с одним оптическим модулем – сердечник данного типа кабеля не имеет силовых элементов, поскольку они находятся в оболочке. Такие кабели обладают недостатком, связанным с неудобством идентификации волокон. Тем не менее, они обладают меньшим диаметром и более доступной ценой.

Оптический кабель с тросом

Оптические кабеля с тросом — это разновидность самонесущих кабелей, которые также используются для воздушной прокладки. В таком изделии трос может быть несущим и навивным. Еще существуют модели, в которых оптика встроена в грозозащитный трос.

Усиление оптического кабеля тросом (профилированным сердечником) считается достаточно эффективным методом. Сам трос представляет собой стальную проволоку, заключенную в отдельную оболочку, которая в свою очередь соединяется с оболочкой кабеля. Свободное пространство между ними заполняется гидрофобным заполнителем. Часто такую конструкцию оптического кабеля с тросом называют «восьмеркой» из-за внешнего сходства, хотя лично у меня возникают ассоциации с перекормленной «лапшой». «Восьмерки» применяют для прокладки воздушных линий связи с пролетом не более 50-70 метров. В эксплуатации подобных кабелей есть некоторые ограничения, например, «восьмерку» со стальным тросом нельзя подвешивать на ЛЭП. Надеюсь, объяснять, почему именно, не нужно.

Но кабели с навивным грозозащитным тросом (грозотросом) спокойно монтируются на высоковольтных ЛЭП, крепясь при этом к проводу заземления. Грозотросный кабель используется в местах, где есть риски повреждения оптики дикими животными или охотниками. Также его можно использовать на больших по дистанции пролетах, чем обычную «восьмерку».

Подводный оптический кабель

Данный тип оптических кабелей стоит в сторонке от всех остальных, так как прокладывается в принципиально иных условиях. Почти все типы подводных кабелей, так или иначе, бронированы, а степень бронирования уже зависит от рельефа дна и глубины залегания.

Различают следующие основные типы подводных кабелей (по типу бронирования):

• Не бронирован;
• Одинарное (одноповивное) бронирование;
• Усиленное (одноповивное) бронирование;
• Усиленное скальное (двухповивное) бронирование;

Подробно конструкцию подводного кабеля я рассматривал больше года назад вот в этой статье, поэтому тут приведу только краткую информацию с рисунком:

• Полиэтиленовая изоляция.
• Майларовое покрытие.
• Двухповивное бронирование стальной проволокой.
• Алюминиевая гидроизоляционная трубка.
• Поликарбонат.
• Центральная медная или алюминиевая трубка.
• Внутримодульный гидрофобный заполнитель.
• Оптические волокна.

Таблица типов и характеристик подводных кабелей в зависимости от глубины укладки

Производство

Теперь, когда мы познакомились с наиболее распространенными видами оптоволоконных кабелей, можно проговорить и о производственном процессе всего этого зоопарка. Все мы знаем об оптоволоконных кабелях, многие из нас имели с ними дело лично (как абоненты и как монтажники), но как становится ясно из информации выше, оптоволоконные, в особенности магистральные, кабели могут серьезно отличаться от того, с чем вы имели дело в помещении.

Так как для прокладки оптоволоконной магистрали требуются тысячи километров кабеля, их производством занимаются целые заводы.

Изготовление оптоволоконной нити

Все начинается с производства главного элемента — оптоволоконной нити. Производят это чудо на специализированных предприятиях. Одной из технологий производства оптической нити является ее вертикальная вытяжка. А происходит это следующим образом:

• На высоте в несколько десятков метров в специальной шахте устанавливается два резервуара: один со стеклом, второй, ниже по шахте, со специальным полимерным материалом первичного покрытия.
• Из узла прецизионной подачи заготовки или, проще говоря, первого резервуара с жидким стеклом, вытягивается стеклянная нить.
• Ниже нить проходит через датчик диаметра волоконного световода, который отвечает за контроль диаметра изделия.
• После контроля качества нить обволакивается первичным полимерным покрытием из второго резервуара.
• Пройдя процедуру покрытия, нить отправляется в еще одну печь, в которой полимер закрепляется.
• Нить оптоволокна протягивается еще N-метров, в зависимости от технологии, охлаждается и поступает на прецизионный намотчик, проще говоря, наматывается на бобину, которая уже и транспортируется как заготовка к месту производства кабеля.

Наиболее распространены следующие размеры оптоволоконного кабеля:

• C сердечником 8,3 мк и оболочкой 125 мкм;
• C сердечником 62,5 мк и оболочкой 125 мкм;
• C сердечником 50 мк и оболочкой 125 мкм;
• C сердечником 100 мк и оболочкой 145 мкм.

Оптику с диаметром сердечника в 8,3 мк качественно спаять в полевых условиях, без высокоточного оборудования или установки концентраторов, непросто или практически невозможно.

Огромное значение имеет контроль диаметра световода. Именно эта часть установки отвечает за один из главных параметров на всех этапах производства нити — неизменность диаметра конечного изделия (стандарт — 125 мкм). Из-за сложностей при сварке нитей любых диаметров, их стремятся сделать настолько длинными, насколько это возможно. Погонный метраж оптоволоконной «заготовки» на бобине может достигать десятков километров (да, именно километров) и более, в зависимости от требований заказчика.

Уже на самом предприятии, хотя это можно сделать и на стекольном заводе, все зависит от производственного цикла, бесцветную нить с полимерным покрытием для удобства могут перемотать на другую бобину, в процессе окрашивая ее в собственный яркий цвет, по аналогии со всем знакомой витой парой. Зачем?

Во славу сата..

для быстрого различения каналов при, например, ремонте или сварке кабеля.

Изготовление кабеля

Теперь мы получили сердце нашего изделия — оптоволоконную нить. Что дальше? Дальше давайте посмотрим на схему такого себе среднестатистического подводного (да, мне они нравятся больше всего) кабеля в разрезе:

На заводе полученные оптические нити запускаются в станки, в совокупности своей образующие целый конвейер по производству какого-то одного типа кабеля. На первом этапе производства небронированных моделей, нити сплетаются в пучки, которые и составляют, в итоге, «оптический сердечник». Количество нитей в кабеле может быть различным, в зависимости от заявленной пропускной способности. Пучки, в свою очередь, сматывают в «тросс» на специальном оборудовании, которое, в зависимости от своей конструкции и назначения. Это оборудование может еще и покрывать полученный «тросс» гидроизолирующим материалом, чтобы предотвратить попадание влаги и потускнения оптики в будущем (на схеме обозван «внутримодульным гидрофобным заполнителем»).

Вот так проходит процесс скрутки собранных вместе пучков в трос на пермском заводе оптоволоконных кабелей:

После того, как в «тросс» было собрано необходимое количество пучков оптоволокна, их заливают полимером или укладывают в металлическую или медную трубку. Тут, на первый взгляд, кажется, что подводных камней нет и быть не может, но так как производитель стремится минимизировать количество соединений и швов, то все получается не совсем просто. Рассмотрим один конкретный пример.

Для создания трубки-корпуса, представленной на схеме выше как «центральная трубка», может использоваться огромная по длине лента из необходимого нам материала (сталь, либо же медь). Лента используется, чтобы не маяться со всем знакомым нам и очевидным прокатом, и сваркой по всей окружности стыка. Согласитесь, тогда у кабеля было бы слишком много «слабых» мест в конструкции.

Так вот. Металлическая ленточная заготовка проходит через специальный станок, натягивающий ее и имеющий с десяток-другой валиков, которые идеально ее выравнивают. После того, как лента выровнена, она подается на другой станок, где встречается с нашим пучком оптоволоконных нитей. Автомат на конвейере загибает ленту вокруг натянутого оптоволокна, создавая идеальную по форме трубку.

Вся эта, пока еще хрупкая, конструкция протягивается по конвейеру дальше, к электросварочному аппарату высокой точности, который на огромной скорости проводит сварку краев ленты, превращая ее в монолитную трубку, в которую уже заложен оптоволоконный кабель. В зависимости от тех. процесса, все это дело может заливаться гидрофобным заполнителем. Или не заливаться, тут уже все зависит от модели кабеля.

В целом, с производством все стало более-менее понятно. Различные марки оптоволоконного, в первую очередь, магистрального кабеля, могут иметь некоторые конструкционные отличия, например, по количеству жил. Тут инженеры не стали выдумывать велосипед и просто объединяют несколько кабелей поменьше в один большой, то есть такой магистральный кабель будет иметь не один, а, например, пять трубок с оптоволокном внутри, которые, в свою очередь, все также заливаются полиэтиленовой изоляцией и, при необходимости, армируются. Такие кабели называют многомодульными.

Одна из моделей многомодульного кабеля в разрезе

Многомодульные кабели, которые, в основной своей массе, и используются для протяженных магистралей, имеют еще одну обязательную конструктивную особенность в виде сердечника, или как его еще называют — центрального силового элемента. ЦСЭ используется как «каркас», вокруг которого группируют трубки с жилами оптоволокна.

К слову, пермский завод «Инкаб», производственный процесс которого представлен на гифках выше, со своими объемами до 4,5 тыс. километров кабеля в год — карлик, по сравнению с заводом того же инфраструктурного гиганта Alcatel, который может выдавать несколько тысяч километров оптоволоконного кабеля одним куском, который сразу же грузится на судно-кабелеукладчик.

Стальная трубка — это наименее радикальный вариант бронирования оптики. Для неагрессивных условий эксплуатации и монтажа часто применяют обычный изолирующий полиэтилен. Однако, это не отменяет того факта, что после изготовления такого кабеля его могут «обернуть» в бронирующую намотку из алюминиевой или стальной проволоки или тросов.

Бронирование кабеля с полиэтиленовой изоляцией на том же пермском заводе

Вывод

Как можно понять из материала выше, основным отличие различных видов оптоволоконного кабеля является их «обмотка», то есть то, во что упаковываются хрупкие стеклянные нити в зависимости от области применения и среды, в которой будет проводиться кабелеукладка.

Если вам понравился данный материал, то можете смело задавать вопросы в комментариях, опираясь на которые я постараюсь подготовить еще статью по этой теме.

Спасибо за внимание.

Длина волны, затухание и дисперсия

Уже упоминалось, что первые стеклянные световоды имели затухание около 1000дБ/км, а первые коммерческие волокна – около 20дБ/км. Сейчас затухания гораздо меньше. Но давайте разберемся в этом поглубже. Затухание в волокне зависит не только от чистоты материала и качества изготовления волновода, но и от длины волны света.

UPD: Чуть менее наглядный, но более правильный график затухания (спасибо enclis) выглядит вот так:

На рисунке изображена кривая затухания света в кварцевом волокне. Из графика хорошо видны 3 минимума затухания – окна прозрачности. Исторически первое окно пропускания на 850нм используется до сих пор в многомодовых волокнах для связи на небольшие расстояния. Затухания в нем 3-5дБ/км. Для сравнения: представьте кусок оконного стекла толщиной 1 км. В нем свет затухнет всего лишь в 2 раза. Второе окно прозрачности на 1300-1310нм имеет затухание на уровне 0.3-0.4дБ/км. Третье окно, самое популярное сегодня, с длиной волны 1500-1550нм, имеет затухание около 0.22-0.3дБ/км. Кусок стекла толщиной 10км ослабит свет всего лишь в 2 раза. Свет с длинами волн короче 850нм достаточно активно рассеивается, длиннее 1650нм – уже сильно поглощается стеклом. Пики поглощения между окнами прозрачности обусловлены наличием примеси и OH-группами, колебательные уровни которых хорошо поглощают свет в этих диапазонах. Следует отметить, что эта кривая для современных волокон выглядит еще позитивнее: научились делать волокна с низким содержанием ОН и примесей, поэтому практически отсутствует пик поглощения между 1300 и 1500нм; стала возможна организация многоканальных систем предачи со спектральным уплотнением во всем диапазоне длин волн с 1270 по 1610нм (CWDM системы). На сегодняшний день 850нм обычно используется в многомодовых линиях с дальностью передачи до 3-5км, все остальные длины волн – для одномодовых волокон с передачей на бОльшие расстояния.

Еще одним важным фактором, помимо затухания, ограничивающим дальность и скорость передачи, является хроматическая дисперсия. Нет, это не межмодовая, свойственная многомодовым волокнам. Хроматическая дисперсия на порядки слабее и имеет другую природу, но ее приходится учитывать при расчете протяженных линий связи, особенно со скоростями более 10Гбит/с. Помните, как белый свет в стеклянной призме раскладывается в радугу? Вот это и есть хроматическая дисперсия – зависимость показателя преломления от длины волны. Иными словами, каждая длина волны света имеет свою, отличную от других, скорость распространения. В волоконных линиях связи хроматическая дисперсия приводит к уширению светового импульса по времени. Любой лазер неидеален: он излучает не одну длину волны, а целый спектр волн, пусть и узкий. Т.е. каждый световой импульс, излученный лазером, имеет в своем составе некоторый набор различных длин волн. Каждая из этих волн, распространяясь по волокну, обладает собственной скоростью, отличной от других. Это приводит к тому, что на выходе из волокна импульс расширяется во времени. Конечно, этот эффект гораздо менее заметен, чем межмодовая дисперсия, но результат тот же – уширение импульса и потеря информации, ошибки. Хроматическое уширение импульса зависит от ширины спектра лазера, дальности передачи и коэффициента дисперсии волокна. Стандартное волокно имеет хроматическую дисперсию на уровне 18пс/(нм*км) для длины волны 1550нм. Поскольку в большинстве случаев ВОЛС состоят из стандартного волокна, компенсацию дисперсии приходится производить примерно через каждые 70-90км (справедливо для 10Gbit/s линков, организованных парой трансиверов).

Я не рассматриваю другие виды дисперсии, они гораздо менее критичны для оптоволоконных линий связи, однако интересующиеся могут ознакомиться с ее видами тут.

Прошлое и настоящее

В 1966 году ученый и выходец из Китая Чарльз Као Куэн представил миру результаты собственного исследования. Основной посыл его разработок заключался в том, что оптическую связь можно организовать с помощью стеклянного волокна. В своей работе Као представил миру уникальные конструктивные особенности волокна и его материалов. Исследования ученого можно по праву считать основой волоконно-оптических телекоммуникаций сегодняшнего дня. Первое же упоминание термина “оптическое волокно” впервые было использовано в 1956 году компанией NS Kapany из США.

Сегодня технологии волоконно-оптической связи настолько прочно проникли в нашу жизнь, что мы уже не видим в них ничего удивительного и воспринимаем их наличие также, как наличие водопровода в многоквартирном доме. Поэтому в этой публикации хотелось бы подробнее поговорить об оптике и рассказать несколько интересных фактов о технологии, на которой основана современная высокоскоростная связь.

Немного истории

За время истории развития волоконной оптики было проведено множество интересных исследований и экспериментов. Остановим свой взгляд лишь на некоторых из них.

Английский физик Джон Тиндалл провел эксперимент с отражением светового луча в струе воды, описание которого он зафиксировал в своей книге.

Экспериментальная установка Джона Тиндалла

Этот эксперимент при желании может дома поставить любой желающий. Лазерной указкой нужно светить под разными углами в ванной на струю воды из крана. Под определенным углом световой луч будет полностью отражаться в потоке воды.

Аналогичный эксперимент можно произвести и с фонариком. Для этого в прозрачной пластиковой бутылке нужно сделать отверстие сбоку. Пропускаем воду через бутылку и начинаем светить фонарем с противоположной стороны бутылки. Если мы подставив ладонь, то на ней будет отражаться пятно света.

Активные разговоры о волоконных светодиодах начались еще в пятидесятых годах прошлого столетия. Тогда же и начали их делать из разного рода прозрачных материалов. Но прозрачности тех материалов не хватало для хорошей проводимости света.

В те годы Советский Союз даже опережал Запад в сфере волоконной оптики. Первая оптическая линия связи была запущена в СССР в 1977 году в Зеленограде. Канал был создан для соединения Северной промзоны и администрации города. Изготовлена она была на оптическом кабеле разработки особого конструкторского бюро кабельной промышленности (ОКБ КП), входящего в Концерн «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ) Государственной корпорации Ростех, специализирующегося на производстве кабелей и кабельных сборок.

В мае 1981 года в СССР вышло Постановление ЦК КПСС и СМ СССР «О разработке и внедрении световодных систем связи и передачи информации». Это событие стало толчком для развития волоконно-оптической связи и увеличению количества разработок в этой сфере.

В начале 60-х сначала в СССР, а затем и на Западе ученые приходят к выводу, что светопоглощение стекла сильно зависит от красящих материалов и продуктов разъедания огнеупоров. Экспериментально было доказано, что светопоглощение идеально чистого стекла настолько мало, что лежит за пределами чувствительности измерительных приборов.
В 1966 году группа ученых во главе Чарльзом Куэн Као приходит к выводу, что наиболее подходящим материалом для волоконно-оптической связи будет кварцевое стекло. Уже тогда Као считал, что с помощью оптики можно будет передавать информацию и вскоре этот вид связи заменит передачи сигнала по медным проводам.

Спустя три года Као получил волокно с коэффициентом затухания на уровне 4 дБ/км. Это результат стал первым экземпляром сверхпрозрачного стекла. Еще год спустя компания Corning Incorporated произвела волокна со ступенчатым профилем показателя преломления и достигла коэффициента затухания 20 дБ/км на длине волны 633 нм. Впервые кварцевое волокно пропустило световой луч на расстояние до 2 километров.

Согласитесь в схожем темпе сейчас развивается квантовая передача данных. По чуть-чуть, да понемногу. В качестве экспериментов и коммерческого использования на небольших расстояниях.

Где оптоволокно применяется помимо телекома

Сегодня волокно применяется во множестве отраслей помимо телекома. Это рентгеновские аппараты, где оно обеспечивает гальваническую развязку между источником высокого напряжения и низковольтным управляющим оборудованием. Так персонал и пациенты получают изоляцию от высоковольтной части аппаратуры. Волокно применяют в распределительных устройствах электроподстанций в качестве датчика системы защиты.

Обширно оптические волокна используют в разного рода измерительных системах, где невозможно применять традиционные электроприборы. Например, в системах измерения температуры в реактивных двигателях самолета, в аппаратах МРТ (томографические медицинские аппараты для исследования внутренних органов, в том числе головного мозга) и др. Датчики на основе оптических волокон могут измерять частоту вибраций, вращения, смещения, скорость и ускорение, вращающий момент, скручивание и другие параметры.

Сегодня применяются гироскопы на основе оптического волокна, которые работают на основе эффекта Саньяка. У такого гироскопа нет подвижных частей, что делает его весьма надежным. Несмотря на то что в современных системах навигации используется огромное количество различных датчиков, благодаря которым определяется положение объекта, наиболее независимую систему можно создать лишь на основе волоконно-оптических гироскопов.
Оптика широко применяется в охранной сигнализации. Устроена такая охранная система следующим образом: когда злоумышленник проникает на территорию условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация.

Пример реализации волоконно-оптического гироскопа

Трехосевой волоконно-оптический инерциальный измерительный модуль серии ASTRIX производства фирмы AIRBUS DEFENCE&SPACE; в датчик по каждому направлению встроен LiNb03 модулятор

Волокно активно используется в декоративных целях, как украшение праздников, в искусстве и рекламе.

Постоянно разрабатываются новые типы оптических волокон. К примеру, фотонно-кристаллических световоды. Распространение света в них основано на несколько иных принципах. Такое волокно можно использовать в качестве жидкостных, химических и газовых датчиков. Кроме того его можно применять для для транспортировки мощного излучения в промышленных или медицинских целях.

Уже не в новинку волоконные лазеры с выходной мощностью непрерывного излучения в несколько десятков киловатт. Оружие на основе 6-волоконных 5.5 кВт лазеров еще в 2014 году испытали в американском флоте. Волоконным лазерами режут металл и бетон. Например, установка для резки металла компании IPG Photonics имеет мощность в 100 кВт.

Полным ходом идет разработка оптоволокна, с помощью которого можно было бы передавать энергию лазерного излучения мощность в несколько киловатт. В теории передача излучения мощность 10 кВт по волокну длиной 250 м при диаметре сердцевины 150 мкм считается возможной.

Фотонно-кристаллическое волокно

Также стоит отметить, что сегодня активно разрабатываются многосердцевинные волокна. Их использование позволит значительно увеличить общую пропускную способность ВОЛС.
Волокну уже за пятьдесят, но технология явно не собирается на пенсию. Инновации в сфере оптоволокна появляются регулярно и телеком здесь далеко не единственная отрасль заинтересованная в развитии технологии.