Волоконно-оптические системы
В нескольких предыдущих статьях я упомянул оптическое волокно в контексте автоматизации подстанции, сигнализации защиты, связи между электрическими устройствами, локальной связью и т. Д. Теперь я расскажу о деталях основ оптоволоконной оптики, конструкции, соединения / завершения и установки.
Как работают оптические кабели связи и как они отличаются от других кабелей
Давайте начнем обсуждение после содержимого.
- Основы волоконно-оптических систем
- Что такое оптические волокна?
- Конструкция оптического кабеля
- Взаимосвязи, соединение и прекращение
- Связки волокон
- Съемные разъемы
- Советы по установке
1. Основы
Основные компоненты волоконно-оптической системы показаны на рисунке 1. Эта система может использоваться как для аналоговых, так и для цифровых передач с передатчиком, который преобразует электрические сигналы в оптические сигналы.
Оптические сигналы запускаются через соединение в оптическое волокно, обычно включаемое в кабель. Свет, излучаемый из волокна, преобразуется обратно в исходный электрический сигнал приемником.
Рисунок 1 - Основная волоконно-оптическая система
Вернуться к содержанию ↑
2. Что такое оптические волокна?
Оптическое волокно представляет собой диэлектрический волновод для пропускания света в виде тонкой нити очень прозрачного кварцевого стекла.
Как показано на фиг.2, типичное волокно содержит сердечник, оболочку, первичное покрытие и иногда вторичное покрытие или буфер. В рамках этой базовой конструкции волокна далее классифицируются как многомодовые или одномодовые волокна с ступенчатым или градуированным индексом.
Ядро является частью волокна, которое передает свет, и оно окружено стеклянной оболочкой с более низким показателем преломления. В ранних волокнах гомогенное ядро имело постоянный показатель преломления по его диаметру, а показатель преломления оболочки также был постоянным (при более низком значении) профиль по всему диаметру волокна (как показано на рисунке 3 (а)) стал известный как индекс шага.
В этом типе волокна световые лучи можно рассматривать как перемещающиеся по зигзагообразной траектории прямых линий, удерживаемые внутри ядра путем полного отражения на внутренней поверхности оболочки.
В зависимости от угла луча с осью волокна длина пути будет отличаться, так что узкий импульс света, входящего в волокно, будет расширяться по мере его перемещения. Это устанавливает предел скорости, с которой импульсы могут передаваться без перекрытия и, следовательно, ограничения рабочей полосы.
Рисунок 2 - Основное оптическое волокно
Чтобы свести к минимуму этот эффект, который известен как дисперсия моды, были разработаны волокна, в которых гомогенное ядро заменено на одно, в котором показатель преломления изменяется постепенно от максимума в центре до более низкого значения на границе раздела с оболочкой.
На рисунке 3 (б) показано такое градуированное индексное волокно, в котором лучи больше не следуют прямым линиям. Когда они приближаются к внешним частям ядра, путешествуя временно быстрее, они согнуты назад к центру, где они движутся медленнее.
Таким образом, более косые лучи движутся быстрее и идут в ногу с более медленными лучами, движущимися ближе к центру волокна. Это значительно уменьшает эффект уширения импульсов волоконного волокна с шагом.
Дисперсия моды ступенчатых индексных волокон также была сведена к минимуму за счет развития одномодовых волокон.
Рисунок 3 - Категории оптических волокон
Как показано на рис. 3 (с), хотя это волокно с шаговым индексом, сердечник настолько мал (порядка 8 мкм в диаметре), что может распространяться только один режим.
Производство волокна включает в себя вытягивание заготовки в длинную тонкую нить. Заготовка содержит как сердечник, так и оболочку, а для градуированных индексных волокон - сердечник
содержит много слоев с добавками, используемыми для достижения изменяющегося показателя преломления.
Хотя первичное волокно имеет прочность на разрыв, сравнимую с прочностью стали, его прочность определяется его качеством поверхности.
Микротрещины развиваются на поверхности девственного волокна в атмосфере, а самое легкое прикосновение или царапины делают волокно непрактично хрупким. Таким образом, он должен быть защищен в соответствии со стеклянным рисунком, прежде чем он касается какого-либо твердого объекта, такого как шкивы или барабаны, защитным покрытием из смолы, ацетата или пластика, известного как первичное покрытие.
Обычно первичное покрытие имеет толщину около 60 мкм, а в некоторых случаях добавляют дополнительный слой материала, называемый буфером, для увеличения механической защиты.
Другой тип оптического волокна имеет пластиковую конструкцию с ступенчатыми или градуированными сердечниками. Несмотря на больший размер (диаметр оболочки до 1, 0 мм) и более высокие потери при передаче, чем стекловолокна, пластиковые оптические волокна имеют экономичные и управляющие преимущества для коротких дистанционных систем связи с низкой скоростью передачи данных.
Структура волоконного кабеля
Вернуться к содержанию ↑
3. Конструкция оптического кабеля
Основная цель кабеля передачи - защитить среду передачи от окружающей среды и суровые условия установки. Обычные кабели с металлическими проводниками предназначены для эффективной работы в самых разных условиях.
Однако оптические волокна значительно отличаются от медных проводов до такой степени, что они значительно влияют на конструкции кабелей и технологии изготовления.
На характеристики передачи и срок службы волокон отрицательно влияют довольно низкие уровни удлинения, а боковые сжатия могут создавать небольшие перегибы или резкие изгибы, которые создают увеличение потерь затухания, известных как потери на микробиение.
Это означает, что кабели должны защищать волокно от деформации во время установки и обслуживания, и они должны обеспечивать продольное сжатие, например, при изменении температуры кабеля.
На срок службы волокна влияет как влажность, так и стресс. Мгновенные трещины, которые покрывают поверхность всех волокон, могут расти, если волокно подвергается воздействию в присутствии воды, так что волокно может сломаться после нескольких лет эксплуатации.
Кабели должны быть способны обеспечить длительный срок службы в таких средах, как плотно упакованные каналы, наполненные водой.
Первоначальным применением оптических кабелей были магистральные маршруты крупных телекоммуникационных сетей, где кабели были непосредственно захоронены или проложены в воздуховодах на очень длинных длинах, а успешные конструкции кабелей развивались с учетом ограничений, о которых говорилось ранее.
Преимущества волоконной оптики вскоре привели к интересам других приложений, таких как компьютерные и информационные системы, кабельные коммуникации помещений, военные системы и промышленный контроль. Это означало, что кабельные конструкции должны были обслуживать извилистые маршруты установки в зданиях, гибкость патч-кордов и трудные условия военного и промышленного применения.
Дальнейшие возможности для оптических кабелей представлены установками в существующих полосах пропускания, такими как канализационные трубы, газовые трубы и водопроводы без необходимости дорогостоящих строительных работ.
Тем не менее, многие из обычных подходов к проектированию кабелей могут использоваться для оптических кабелей с модификацией с учетом оптических и механических характеристик волокон и их механики разрушения.
Рисунок 4 - Оптические кабельные элементы
Кабели обычно содержат несколько элементов или отдельных компонентов передачи, таких как пары меди или одно или несколько оптических волокон. Различные типы элементов, используемые в оптических кабелях, показаны на рисунке 4 выше.
Перфорированное волокно может быть защищено буфером из одного или нескольких слоев пластикового материала, как показано на фиг.4 (а).
Обычно для двухслойного буфера внутренний слой имеет мягкий материал, действующий как подушка с жестким внешним слоем для механической защиты, общий диаметр составляет около 850 мкм. В других случаях буфер можно наносить с помощью скользящей подгонки, чтобы обеспечить легкую зачистку на большие длины.
В прочных волокнах дополнительная защита для буферизованного волокна обеспечивается за счет его окружения слоем неметаллических синтетических нитей и общей пластмассовой оболочки. Этот вид расположения показан на рисунке 4 (b).
Когда одно или несколько волокон свободно перемещаются внутри пластиковой трубки, как показано на рисунке 4 (с), они могут свободно перемещаться и автоматически регулируются в положение минимальной деформации изгиба, чтобы предотвратить чрезмерное напряжение, когда кабель согнут. Если волокно немного длиннее, чем трубка, граница растяжения достигается, когда кабель растягивается, скажем, во время установки, а для подземных и кабельных каналов трубка может быть заполнена гелем, чтобы предотвратить попадание влаги.
Правильный выбор материала и технология изготовления могут гарантировать, что труба имеет коэффициент теплового расширения, аналогичный коэффициенту теплопроводности волокна, так что потери микробизнеса сводятся к минимуму с температурными отклонениями.
Оптические волокна могут быть собраны в линейную матрицу в виде ленты, как показано на рисунке 4 (d). Таким образом, до 12 волокон могут быть соединены вместе или дополнительно инкапсулированы, если требуется дополнительная защита.
Чтобы предотвратить чрезмерное удлинение кабеля, которое могло бы усиливать волокна, оптические кабели обычно включают в себя прочный элемент. Это может быть центральная стальная проволока или нить, или неметаллические стержни из стекловолокна или синтетические нити.
Элемент прочности должен быть прочным, легким и обычно гибким, хотя в некоторых случаях можно использовать элемент жесткой прочности, чтобы предотвратить изгиб кабеля, который мог бы вызвать потери микроволокна в волокнах.
Рисунок 5 - Примеры оптических кабелей
Элементы прочности показаны на схемах кабелей на рис. 5 (b) и (c). Прочный элемент может быть встроен в конструктивный элемент, который используется в качестве основы для размещения кабельных элементов.
Пример показан на фиг.5 (с), где пластиковая секция с пазами экструдируется над прочным элементом с лентами, вставленными в пазы, чтобы обеспечить кабели с высоким количеством волокон.
Влагобарьер может быть обеспечен либо сплошной металлической оболочкой, либо металлической лентой с продольным перекрытием, связанным с оболочкой. Влагозащитные барьеры могут быть из алюминия, меди или стали, и они могут быть плоскими или гофрированными. Кроме того, другие кабельные промежутки могут быть заполнены гелем или набухающими в воде нитями для предотвращения продольного попадания влаги.
В тех случаях, когда требуется защита от внешнего повреждения или когда требуется дополнительная прочность на растяжение, можно обеспечить армирование. Это может быть металлическое или неметаллическое. Для наружных кабелей применяется общая оболочка из полиэтилена. Для внутренних кабелей оболочка часто содержит галогеновые материалы с низким содержанием дыма для дополнительной безопасности в случае пожара.
Несмотря на то, что используются одни и те же базовые принципы построения кабелей, широкий диапазон применений приводит к различным конструкциям кабелей, от простейших внутренних патч-кордов до кабелей, содержащих несколько тысяч волокон в труднодоступных средах, до субокеанических кабелей.
На рисунке 5 показано несколько примеров.
Вернуться к содержанию ↑
4. Взаимосвязи, соединение и прекращение
Удовлетворительная работа волоконно-оптической системы требует эффективного соединения и прекращения передачи среды в виде волоконно-оптических сращиваний и волоконных соединений с повторителями и конечным оборудованием.
Это особенно важно, потому что с очень низкими потерями волокна затухание из-за межсоединений может быть больше, чем из-за значительной длины кабеля.
Для всех типов взаимосвязи возникают вносимые потери, вызванные отражением Френеля и несоосностью волокон. Отражение Френеля обусловлено изменениями показателя преломления на границе волоконно-эфирного волокна (рис. 6), но его можно свести к минимуму, вставив в воздушный зазор жидкость, совместимую с показателем, с тем же показателем преломления, что и сердечник.
Рисунок 6 - Частичная передача и отражение импульса, движущегося от среды с низким до высоким показателем преломления.
Потери несоосности возникают из трех основных источников, как показано на рисунке 7. Конструкции межсоединений направлены на минимизацию этих потерь. Разделение торца (рис. 7 (a)) позволяет свету из пускового волокна распространяться так, что принимается только фракция.
Поэтому это должно быть сведено к минимуму.
Рисунок 7 - Источники потери смещения
Обычно оболочка волокна используется в качестве эталонной поверхности для выравнивания волокон, поэтому геометрия волокна важна даже в том случае, когда облицовки идеально выровнены.
Следовательно, потери из-за бокового смещения (см. Рис. 7 (b)) будут зависеть от диаметра сердцевины, некруглости сердечника, диаметра оболочки, некруглости оболочки и концентричности сердечника и оболочки в волокнах, которые должны быть сочлененный.
Угловое несоосность может привести к попаданию света в принимаемое волокно под таким углом, который он не может быть принят.
Из этого следует, что для геометрии соединительных компонентов и соединяемых волокон требуются очень тесные допуски, особенно с одномодовыми волокнами с диаметром сердцевины 8 мкм и диаметрами оболочки 125 мкм.
Основными типами межсоединений являются сращивания волокон и съемные разъемы.
Связки волокон
Связующие волокна являются постоянными соединениями между волокнами или между волокнами и пигтейлами устройства. Они изготавливаются путем сплавления сплайсинга или механического выравнивания. При сварке сплавом готовые волокна объединяются, выравниваются и свариваются локальным нагревом в сочетании с осевым давлением.
Сложное переносное оборудование используется для сращивания сплавов в полевых условиях. Это точно выравнивает волокна путем локального впрыска света и автоматически выполняет процесс электрической дуговой сварки.
Тем не менее требуется уровень мастерства при приготовлении волокон, снятие буферов и покрытий и расщепление волокон для достижения надлежащего торца.
Существует ряд механических методов сращивания волокон, которые включают выравнивание волокон с помощью труб с точной дозой, наконечников и v-образных канавок и фиксации с помощью обжимных, клеевых или смол. Были разработаны технологии слияния и механического сращивания, позволяющие одновременное сращивание волокон, которые особенно подходят для волоконных лент.
Для полного соединения стыки должны быть встроены в корпус, который подходит для различных сред, таких как подземные камеры или штыри.
Корпус также должен заканчивать кабели и организовывать волокна и сращивания, а кассеты часто используются там, где нужно разместить несколько сотен сращиваний.
Вернуться к содержанию ↑
Съемные разъемы
Разъемные разъемы обеспечивают гибкость системы, особенно на передающем оборудовании и распределительных щитах и внутри них, и широко используются в патч-кордах в некоторых системах данных.
Как и в случае сращиваний, соединитель должен минимизировать потери Fresnel и потери на несоосность, но он также должен допускать повторное соединение и разъединение, он должен защищать конечную поверхность волокна и должен обеспечивать механическое напряжение, такое как напряжение, кручение и изгиб.
Существует много конструкций, но в целом допуски, которые достижимы по размерам различных компонентов, приводят к более высоким оптическим потерям, чем к сращиванию.
Разъемные соединители также были разработаны для одновременного соединения с несколькими волокнами, причем конструкции массивов особенно подходят для волоконных лент.
Для систем с интенсивным подключением, таких как системы офисных данных, используются изготовленные по заводской схеме кабели и патч-корды, чтобы уменьшить необходимость завершения работы на месте.
Вернуться к содержанию ↑
5. Советы по установке
Кабели с оптическим волокном спроектированы таким образом, чтобы при необходимости можно было использовать обычную установку и оборудование.
Поскольку они, как правило, имеют более низкий предел деформации, чем металлические кабели, в определенных обстоятельствах может потребоваться особая осторожность, и следует соблюдать рекомендации производителя относительно растягивающих нагрузок и радиуса изгиба.
Особая осторожность может потребоваться при следующих обстоятельствах:
- Из-за их небольшого веса оптические кабели могут быть установлены большей длиной, чем металлические кабели. Для длинных подземных каналов доступ может быть необходим в промежуточных точках для дополнительного усилия лебедки, и пространство должно быть разрешено для более крупного развертывания кабеля.
- Механические предохранители и управляемая лебедка могут быть необходимы для обеспечения того, чтобы номинальная растягивающая нагрузка не превышалась.
- Может понадобиться направляющее оборудование, чтобы избежать подверженности оптических кабелей неприемлемым изгибающим напряжениям, особенно когда кабель также находится под напряжением.
- При установке кабелей в траншеях основание должно быть свободным от камней. Это может привести к потере микробизнеса.
- В зданиях, и особенно в стояках, шипы и крепления не должны быть слишком затянуты, или соответствующие конструкции должны использоваться для предотвращения сжатия и возникающих в результате потерь микробизнеса.
- Внутриводные кабельные маршруты должны обеспечивать поворотные точки, если задействовано большое количество изгибов. Маршруты должны быть как можно более прямыми.
- Избыточные длины для соединения и тестирования оптических кабелей обычно больше, чем те, которые требуются для металлических кабелей.
- Там, где похоронены неметаллические оптические кабели, может потребоваться рассмотрение последующего местоположения. Целесообразно отметить маркерные сообщения и включение проводника местоположения.
Выдувные волоконные системы были разработаны как средство предотвращения перенапряжения волокна для сложной установки маршрута и обеспечения простой модернизации системы и будущей проверки.
Это приводит к низким первоначальным капитальным затратам и предусматривает распределение последующих затрат. Первоначально разработанная British Telecom, сетевая инфраструктура создается по наиболее подходящему кабелю, являясь одной или группой пустых пластиковых труб.
Когда и когда требуется установка схемы, один или несколько волокон могут продуваться сжатым воздухом в трубах. Отдельные трубки могут, с помощью разъемов, расширяться в зданиях до оборудования для заканчивания волокон.
Эффективная установка волокон в сеть труб часто требует использования специально разработанных волокон и оборудования, таких как модули подачи воздуха, инструменты для вставки волокон и выплаты волокна.
Для установки необходимо следовать инструкциям, предоставленным поставщиком, с учетом требований к использованию переносного электрооборудования и сжатого воздуха, а также обработки, резки и удаления оптических волокон.
Новый вариант этой системы - это кабель данных, используемый для систем структурной проводки.
Вернуться к содержанию ↑
Ссылка // Руководство по электрическому энергетику от DF Warne (покупка печатной копии из Amazon)