Классификация и конструкция волоконно-оптических кабелей

Оптическим кабелем (ОК) называется кабельное соединение, содержащее одно или несколько оптических волокон, объединенных в единую конструкцию, обеспечивающую их работоспособность в заданных условиях эксплуатации (5). Оптические волокна, модули или жгуты заключают в общую оболочку, поверх которой в зависимости от условий эксплуатации может быть наложен защитный покров.

По назначению оптические кабели делятся на магистральные, зоновые, городские, станционные (внутриобъектовые и монтажные).

Магистральные ОК предназначены для передачи информации на большие расстояния, и поэтому они должны обладать малым затуханием, дисперсией и большой широкополосностью.

Зоновые кабели предназначены для связи областного центра c районами и городами области. Дальность связи, как правило, составляет порядка сотни километров.

Городские оптические кабели используются в качестве соединительных линий между районными АТС и узлами связи. Они рассчитаны на короткие расстояния (5...10 км) и большое число каналов. Эти линии, как правило, работают без промежуточных линейных регенераторов.

Сельские ОК предназначены для организации сельской телефонной связи, имеют преимущественно четырехволоконную конструкцию и прокладываются в грунт или подвешиваются по опорам.

Объектовые кабели служат для передачи различного рода информации внутри объекта. Сюда относятся кабели для информационных систем отдельных объектов (самолет, корабль и др.), a также для организации различных видов учрежденческой связи.

Монтажные ОК предназначены для внутреннего и межблочного монтажа аппаратуры.

По условию прокладки кабели делятся на воздушные, подземные, подводные.

Кабели воздушной подвески (рис. 2.4) подвешиваются на опорах различного типа и делятся:

- на самонесущие − с несущим тросом или без него, подвешиваемые на опорах ЛЭП и контактной сети железных дорог;

- прикрепляемые − крепятся к несущему проводу c помощью диэлектрических шнуров или ленты, или же с помощью специальных зажимов, или спиралевидных отрезков металлической проволоки;

- навиваемые − навиваются вокруг существующего, например, фазового провода или провода заземления (грозотроса), встраиваемые в грозотрос.

Рисунок 2.4 − Подвесной оптический кабель: 1 − оптическое волокно; 2 − гидрофобный заполнитель; 3 − полимерная трубка; 4 − центральный силовой элемент; 5 − полимерная трубка; 6 – гидрофобный заполнитель; 7 − скрепляющая лента; 8 − синтетическая нить

Кабели подземной прокладки делятся:

- на кабели, прокладываемые в кабельной канализации и туннелях;

- кабели, закапываемые в грунт;

- кабели автоматической прокладки в специальных полиэтиленовых трубах.

Подводные кабели делятся:

- на кабели, укладываемые на дно несудоходных рек, неглубоких озер и болот (используются при прохождении водных преград небольшой длины);

- кабели, укладываемые на дно морей и океанов (что может означать не только укладку на дно, но и закрепление на определенной глубине или закапывание в донный грунт на определенную глубину).

Основным элементом ОК является оптический волновод − круглый стержень из оптически прозрачного диэлектрика (направляющая среда, структура которой обеспечивает распространение оптического излучения вдоль нее [5]). Оптические волноводы из-за малых размеров поперечного сечения обычно называют волоконными световодами или оптическими волокнами (ОВ).

Для изготовления ОВ используют однородные стёкла высокой чистоты и качества. При этом в зависимости от назначения кабеля в конструкцию закладываются одномодовые (магистральные), многомодовые градиентные (зоновые и городские) или многомодовые ступеньчатые волокна (городские и объектовые кабели).

Стеклянное двухслойное волокно для защиты от механических и атмосферных воздействий и усиления конструкции снаружи имеет полимерное покрытие.

Рисунок 2.5 − Структура оптического волокна: 1 − сердцевина; 2 − оболочка; 3 − защитное покрытие

B некоторых конструкциях волокно свободно расположено в трубке из фторопласта-оптического модуля (рис. 2.6). Пространство между волокном и модулем иногда заполняется синтетическими нитями.

Рисунок 2.6 − Модуль оптический: 1 − оптоволокно; 2 − трубка.

Кроме оптических волокон (модулей) ОК может состоять из следующих элементов:

- силовых (упрочняющих) стержней, принимающих на себя продольное усиление;

- заполнителей в виде сплошных пластмассовых нитей;

- армирующих элементов, повышающих стойкость кабеля к механическим воздействиям;

- наружных защитных оболочек, предохраняющих от проникновения влаги и внешних механических воздействий.

ОВ имеют высокий модуль упругости по сравнению c большинством материалов, используемых в конструкциях ОК. Поэтому, когда продольная сила деформирует кабель, самое большое напряжение развивается в ОВ, что в конечном итоге может привести к его обрыву. Чтобы избежать появления слишком больших напряжений в ОВ и обеспечить высокую механическую прочность ОК, в его конструкцию вводят дополнительные силовые (упрочняющие) элементы. Материал для силовых элементов должен обладать высоким модулем упругости и пределом прочности на разрыв, a также иметь малый удельный вес. Применяются синтетические (высокопрочные материалы) и металлические (сталь, медь, алюминий), силовые элементы.

Различают два варианта взаимного расположения силовых элементов и ОВ. B первом случае силовой элемент располагают в центре кабеля, а ОВ − концентрично относительно центрального элемента. Во втором случае силовые элементы размещают на периферии c внешней стороны пучка ОВ.

При центральном расположении силового элемента обеспечивается максимальная гибкость. При периферийном расположении силовых элементов гибкость кабеля меньше, однако, конструкция эффективнее противостоит радиальным усилиям и ударам.

Наружная оболочка ОКС содержит демпфирующую и защитную оболочки. Демпфирующую оболочку изготавливают из пористой пластмассы, a в качестве наружной оболочки наибольшее распространение получили пластмассовые оболочки из полиэтилена. Такие оболочки используют для монтажных, объектовых кабелей, a также кабелей ГТС, прокладываемых в телефонной канализации. В ОК для подземной прокладки могут использоваться алюминиевые оболочки c защитным полиэтиленовым шлангом от коррозии. Различают также ОК c броней из стальных проволок, стальной ленты, стальной оплетки, стеклопрутка, c жилами для дистанционного питания (ДП) и без них. Подводные кабели имеют полиэтиленовую оболочку и стальную круглопроволочную броню.

B зависимости от конструкции сердечника наибольшее распространение получили 3 группы конструкций ОК: кабели повинной скрутки (модульная конструкция), с фигурным (профилированным) сердечником, ленточного типа (плоская конструкция) (рис. 2.7 − 2.9).

Рисунок 2.7 − Модульная конструкция оптического кабеля

Кабели первого типа имеют повинную скрутку сердечника по аналогии c электрическими кабелями (рис. 2.7).

ОК второй группы (рис. 2.8) имеют в центре армированный силовыми элементами фигурный пластмассовый сердечник c пазами, в которых размещены оптические волокна. Пазы и соответственно волокна расположены по геликоиде, и поэтому волокна не испытывают продольного усиления на разрыв. Такие кабели содержат обычно 4, 6, 8, 10 волокон. Если необходим кабель большей емкости, то в сердечник  закладывают несколько таких модулей.

Рисунок 2.8 − Магистральный оптический кабель (конструкция с профилированным сердечником): 1 − профилированный сердечник; 2 − оптическое волокно; 3 − центральный силовой элемент из стеклопластикового стержня; 4 − внутренняя пластмассовая обмотка; 3 − стеклопластиковые стержни; 6 − наружная полиэтиленовая оболочка.

Кабель ленточного типа (рис. 2.9) состоит из набора плоских пластмассовых лент, в которые вмонтировано определенное число (чаще всего 12) оптических волокон. B стопке расположено 6, 8 или 12 лент.

Рисунок 2.9 − Кабель ленточного типа; а − структура кабеля; 1 − ОВ; 2 − демпфирующая оболочка; 3 − внешняя защитная оболочка; 4 − лента; б − лента с волокнами; в − вид кабеля сбоку