Средство оптический связи

На рис. 3 приведен кабель с профилированным сердечником

Конструкция с профильным сердечником имеет центральный стальной или диэлектрический силовой элемент, поверх которого размещается фигурный сердечник из полимера с пазами, расположенными по геликоиде. Число пазов составляет от 6 до 18. В каждый паз можно поместить до 12 волокон маркированных цветными нитями. В гибридных кабелях в один из пазов помещают медные пары. После укладки в паз волокна свивают цветной нитью и покрывают гелеобразным составом. Поверх сердечника накладывают связывающую ленту из полиэтилена. Вторичное защитное покрытие состоит из гофрированной стальной ленты толщиной 0,15 мм намотанной с перекрытием и покрытой клеящим веществом, а также полиэтиленовой оболочки толщиной 1,6 мм.

Кабели с профилированным сердечником выпускаются компаниями Northrn Telecom, Alcatel и другими и содержат до 144 волокон.

Пример ленточного кабеля компании AT&T приведен на рис. 4.

По конструкции ленточный кабель незначительно отличается от кабеля со свободным пучком волокон. Основу его составляют соединенные вместе ленты из стекловолокон, составляя своеобразный “сэндвич”. В каждой ленте размещаются 12 оптических волокон. Общее число волокон составляет 216.

Для прокладки под водой компанией AT&T был разработан специальный океанский кабель. Он был введен в эксплуатацию в 1988 г., соединив через Антлантический океан Северную Америку и Европу по ТАТ 8 (Трансантлатический телефон 8). Сплошная конструкция кабеля противостоит большим раздавливающим силам на океанских глубинах. На рис. 5 показан шестиволоконный вариант такого кабеля, который в принципе может иметь до 12 одномодовых волокон.

волоконный оптический линия передача



Центральная стальная проволока является основой и обеспечивает прочность сердечника во время его производства. Поверх проволоки накладывается в расплавленном виде эластомер, в котором по спирали располагаются 6 одномодовых стекловолокон. Второй слой эластомера полностью покрывает волокна и сплавляется с первым слоем. Поверх данной конструкции накладывается слой нейлона. Основой вторичного защитного покрытия являются 24 стальные проволоки, расположенные по спирали относительно кабельного сердечника. Пространство между проволоками заливается гидрофобным заполнителем. Поверх стальных проволок накладывается медная герметическая лента с заплавленным швом, которая служит для организации дистанционного питания подводных регенераторов. На медную ленту наносят клейкое вещество и толстый слой полиэтилена. Наружный диаметр кабеля составляет 21 мм.

Отечественная промышленность в настоящее время освоила производство практически полностью номенклатуру оптических кабелей для магистральных, зоновых и местных сетей связи. В конструкциях кабелей применяются импортные материалы высокого качества, а также оптическое волокно, поставляемое, в основном, известными фирмами- Corning (США), Fujikura (Япония), Ericsson AB.

Оптические кабели, выпускаемые в России, в соответствии с условиями их подземной прокладки делятся на четыре типа:

Тип 1: с допустимым растягивающим усилием не менее 80 кН для прокладки через водные преграды (судоходные реки, водохранилища), болота и в районах вечной мерзлоты.

Тип 2: с допустимым растягивающим усилием не менее 20 кН для прокладки в скальных и тяжелых грунтах при наличии опасности механического повреждения.

Тип 3: с допустимым растягивающим усилием не менее 7 кН для прокладки в гравийно-песчаном грунте, песках и тяжелых глинистых грунтах.

Тип 4: с допустимым растягивающим усилием не менее 2,7 кН для прокладки в кабельной канализации и защитных пластмассовых трубах.

В настоящее время обладателями 15 сертификатов на производство оптических кабелей являются 9 отечественных предприятий и заводов:

- Армавирский опытный завод (г. Армавир, Краснодарский край;

- ОАО “Ленсвязь” (г. С.-Петербург);

- ЗАО “Москабельмет” (г. Москва);

- АОЗТ “Оптен” (г. С.-Петербург);

- ЗАО “Севкабель-Оптик” (г. С.-Петербург);

- СП “Эликс-МО” (г. Москва);

- ЗАО “Оптика-кабель” (г. Москва);

- АО НФ “Электропровод” (г. Москва);

- ЗАО “Яуза-кабель” (г. Мытищи, Московская обл.).



Из большого числа наименований отечественной кабельной продукции, конструкция которых соответствует вышерассмотренным зарубежным аналогам, приведем пример оптического кабеля, выпускаемым ЗАО “Оптика-кабель”, который предназначен для подвески на опорах высоковольтных линий, в том числе на опорах контактной сети железных дорог (Рис. 6).

В таком кабеле размещается от 8 до 16 оптических волокон. Предполагается использовать оптические кабели с числов волокон 16 на магистральных участках железных дорог с большим потоком поездов и с числом волокон 8 на малодеятельных участках железных дорог.



Лекция 9

1. Методы изготовления и прокладки оптических кабелей

Технологический процесс изготовления оптического кабеля базируется на основных принципах кабельной технологии. Однако для практической реализации разнообразных конструкций ОК, обладающих отличительными особенностями по сравнению с обычными кабелями на основе медных токопроводящих жил, требуется разработка специальных технологических процессов, усройств или усовершенствование существующего оборудования для изготовления кабелей.

При наложении защитного покрытия на оптическое волокно с обжатием основным условием является точное его расположение в геометрическом центре оболочки. Особенностью такого покрытия является режим охлаждения. При охлаждении готового изделия водой внутри оболочки образуется полость, и чем холоднее вода, тем полость больше. Полости вызывают, как правило, облом оптического волокна, так как из-за усадки вдоль оси на волокно начинают действовать разрушающие или сжимающие усилия.

Экспериментально установлено, что целесообразно производить охлаждение покрытия с обжатием оптического волокна на воздухе, так как коэффициент теплопроводности воздуха значительно ниже, чем воды, охлаждение происходит не так резко и не возникают отрицательные явления, присущие охлаждению водой.

Процесс наложения трубчатой полимерной оболочки, в которой оптическое волокно лежит свободно во внутренней полости, связан также с правильным выбором режима охлаждения. При охлаждении оболочка усаживается как в радиальном, так и в продольном направлениях, деформируя оптическое волокно, вследствие чего оно располагается внутри полости трубчатой оболочки по какой-то пространственной кривой. Для устранения этого явления необходимо усадить трубчатую оболочку вблизи формирующего инструмента на коротком участке длины. С этой целью следует установить охлаждающую ванну с холодной водой как можно ближе к головке пресса.

Одним из самых отвественных моментов изготовления оптического кабеля является скрутка. Так как скрутка ОК осуществляется с откруткой волокон, укладка их вокруг сердечника кабеля по винтовой линии осуществляется в результате деформации сдвига. Практика показала, что оптическое волокно очень плохо противостоит этому виду деформации. Следует также подчеркнуть, что в изогнутом волокне возникают продольно-осевые напряжения, значения которых зависят от соотношения радиуса повива и шага скрутки. Машины для скрутки ОК относятся к классическому типу машиноднонаправленной скрутки, т.е. в них подающее устройство вращается вокруг оси кабельного изделия. Также нашли применение машины, в которых отдающее и приемное устройство неподвижны, а вокруг оси скрутки вращается самостоятельный крутильный узел.

Для обмотки сердечника оптического кабеля лентами нашел применение обмотчик тангенциального типа, у которого средняя линия сходящей ленты является касательной к поверхности обматываемой загатовки. Это обеспечивает равномерность натяжения обеих кромок ленты.

Последним этапом производства оптического кабеля является наложение оболочки на скрученную загатовку кабеля. Оболочка может включатьв себя полимерный шланг, металлическую оболочку, оплетку стальными проволоками, защитные покровы. При осуществлении этих операций появляется опасность теплового удара, механических деформаций оптических волокон. Для предотвращения этих нежелательных явлений наложение оболочки на заготовку следует производить с воздушным зазором, Уменьшению значения теплового удара способствуют также обмотка скрученной заготовки нагревостойкими лентами и промежуточное наложение оболочки небольшой толщины.

Наложение полимерных оболочек осуществляется на экструзионных линиях. В комплект технодогической линии входят отдающее устройство, экструдер, охлаждающее устройство, прибор измерения и регулировки диаметра изделия, тяговое и приемное устройства, пульт управления.

Для наложения металлических оболочек используется дуговая сварка в среде защитного газа. Для существенного повышения гибкости стальных оболочек их гофрируют. Сущность процесса гофрирования заключается в нанесении по заранее заданному закону вмятин на гладкую цилиндрическую поверхность оболочки.

Наложение защитных оплеток из стальных проволок осуществляется на оплеточных машинах челночного типа. Оплетка представляет собой покрытие кабеля проволокой в двух направлениях, когда пряди проволок одного направления переплетаются с прядями проволок противоположного направления.

Защитные покровы, предназначенные для защиты кабелей от механических повреждений и коррозии, состоят, как правило, из следующих элементов: подушки, брони и наружного защитного покрова, которые накладываются на сердечник кабеля традиционными способами.

За рубежом большое внимание уделяется изготовлению оптических кабелей со спирально профилированным сердечником. При изготовлении этого варианта конструкции используется технологический процесс с вращением отдающих катушек с оптическим волокном относительно ранее сформированного сердечника или с вращением тягового и приемного устройств вокруг оси кабеля, при этом одновременно достигается спиральность паза. Пазы могут изготавливаться экструдированием сердечника с помощью вращающейся в одном или в чередующихся направлениях головки иматрицы и нарезкой гладкого сердечника вращающимися вокруг него фрезами.

Изготовление ленточных кабелей может осуществляться методами экструзии и контактно-тепловой сварки.

При стоительстве волоконно-оптических линий связи, как и при строительстве обычных линий связи, выполняются следующие работы:

- разбивка линии,

- доставка кабеля и материалов на трассу;

- испытание и прокладка кабеля;

- монтаж кабеля и устройств ввода.

При прокладке кабеля в пределах города сооружается кабельная канализация, в полевых условиях кабель укладывается непосредственно в землю.

Однако в организации и технологии строительства ВОЛС по сравнению с работами на традиционных кабелях имеются существенные отличия. Эти отличия обусловлены техническими особенностями оптического кабеля, которые заключаются в следующем:

- критичность к растягивающим усилиям, малые поперечные размеры и масса ОК;

- большие строительные длины ОК;

- сравнительно большие величины затухания сростков волокон;

невозможность содержания ОК под воздушным давлением;

- трудности содержания служебной связи при строительстве ВОЛС с ОК без металлических элементов.

В табл. 1 приведены сравнительные характеристики электрического и оптического кабелей.

Таблица 1

Параметр	Кабель
	электрический	оптический
Максимально допустимый радиус изгиба кабеля, мм Диаметр кабеля, мм Допустимое тяговое усилие, Н Строительная длина кабеля, м Масса кабеля, кг/км	100 - 800 10 - 80 500 - 30000 265 - 850 100- 6000	200 - 300 10 - 18 600 - 3000 1000 - 2000 160 - 350

Из таблицы видно, что оптические кабели имеют меньшие габаритные размеры и массу, меньшее допустимое тяговое усилие и большую строительную длину. Необходимость прокладки больших строительных длин при малом допустимом усилии является принципиальным отличием, требующим нового подхода к технологии прокладки кабеля.

Подготовка к строительству

На всех этапах подготовки к строительству ВОЛС - от экспертизы проекта до составления проекта производства и план-графиков строительства участков необходимо стремиться к тому, чтобы проектные и планируемые технические решения способствовали максимальной индустриализации работ, исключали случаи ухудшения характеристик ОК, увеличения числа дополнительных муфт на ВОЛС.

До начала поступления кабеля на строительство ВОЛС должны быть выполнены работы по обследованию будущих трасс прокладки оптического кабеля, определению мест и помещения для проведения входного контроля кабелей. Перед строительством зоновых или магистральных линий должны быть решены вопросы организации служебной связи с помощью радиостанций УКВ диапазона.

Объем измерительных работ составляет не менее 30% общего объема работ по строительству ВОЛС, в то время как аналогичные операции на обычных кабелях занимают не более 15% общего объема.

Входной контроль кабеля

Руководством по строительству ВОЛС предусмотрен 100%-ный входной контроль кабеля на кабельной площадке. Кроме обычных испытаний по проверке качества изоляции металлических элементов в ОК проводятся измерения затухания оптических волокон. Наиболее удобно такие измерения производить с помощью оптического тестера.

После окончания электрических измерений оптические волокна соединяются последовательно методом сварки, для образования шлейфа, по которому при механизированной прокладке будет контролироваться целостность кабеля. Затем концы кабеля герметично заделывают и барабан с проверенной строительной длиной отправляется на трассу.

До вывоза барабанов с кабелем на трассу проводят группирование строительных длин. В пределах регенерационного участка группирование осуществляется по конструктивным данным и, главное, по передаточным параметрам оптического кабеля - затуханию и дисперсии.

Группирование производится в соответствующих соединительных муфтах регенерационного участка ВОЛС и состоит в поиске такого варианта соединения волокон в этих муфтах на основании данных измерений параметра передачи отрезков ВОЛС, при котором достигается ослабление случайных составляющих заданного параметра передачи волокна, т.е. приближение его значения к среднему во всех оптических регенерационных участках ВОЛС. Для нахождения оптимальной комбинации соединения волокон требуется провести анализ большого числа комбинаций их соединения, который целесообразно осуществлять на ЭВМ.

Прокладка кабеля кабелеукладчиком

Прокладка кабеля кабелеукладчиком (бестраншейная прокладка) является наиболее распространенным способом и широко применяется на трассах в различных условиях местности. В этом случае ножом кабелеукладчика в грунте прорезается узкая щель и кабель укладывается на ее дно. При этом механические нагрузки достаточно высоки, так как кабель на пути от барабана до выхода из кабеленаправляющей кассеты подвергается воздействиям продольного растяжения, поперечного сжатия и изгиба, а также вибрационному воздействию в случае применения вибрационных кабелеукладчиков. Поэтому при прокладке кабеля необходимо создавать принудительное вращения барабана и не допускать засорения кассеты кабелеукладочного ножа. Достоинством вибрационного кабелеукладчика является малое тяговое усилие, высокая маневренность и возможность эффективной работы в различных грунтах.

Известны два варианта системы прокладки оптических кабелей:

- традиционная схема прокладки;

- специализированная схема прокладки (созданная специально для ОК).

При традиционной системе прокладки (кабельные барабаны располагаются сзади трактора) кабель подается непосредственно с барабана в кассету без изгибов и не испытывает дополнительных напряжений.

При специализированной системе прокладки (кабельный барабан монтируется спереди трактора) кабель проходит над кабиной трактора через квадратную конструкцию с роликами или направляющими трубками, а затем через блок с гидроприводом, обеспечивающий размотку кабеля с барабана и подачу его в кассету. Кабель совершает один полный виток вокруг блока, скорость вращения которого должна превышать линейную скорость перемещения базового трактора. Все ролики или направляющие приспособления в системе, вызывающие изменения направления прохождения кабеля, должны соответствовать минимальному допустимому радиусу изгиба данного кабеля (допустимый минимальный радиус изгиба оптического кабеля должен в 20 раз превышать диаметр кабеля.

Расчет усилия тяжения при прокладке оптического кабеля в земле кабелеукладчиком производится по формуле

,

где Р - масса единицы длины кабеля, кг/м;

f - коэффициент трения в кассете кабелеукладчика;

- динамический коэффициент;

- длина проложенного кабеля в земле;

Q - вертикальное давление слоя земли енад кабелем.

Расчеты показывают, что в неблагоприятных условиях оптические кабели при прокладке в земле кабелеукладчиком могут испытывать усилие тяжения порядка 500-2000 Н. По существующим нормам кабель без металлических элементов допускает тяжение в 1200 Н. Поэтому необходимо ограничить динамические нагрузки на кабель при прокладке (рывки, разгон барабана с кабелем, неожиданные остановки, засорение кассеты ножа, крутые повороты и т.д.).

Траншейная прокладка кабеля

Траншейная прокладка оптического кабеля в грунт аналогична прокладке электрических кабелей. Однако при прокладке ОК необходимо соблюдать большие меры предосторожности, обеспечивающие допустимые пределы растяжения, изгибов, закручивания и истирания кабеля.

Сравнивая траншейный способ прокладки с прокладкой кабелеукладчиком, следует отдать предпочтение последнему. Прокладка кабеля с помощью кабелеукладчика более производительна и сокращает трудоемкость в 10-20 раз. Пр использовании кабелеукладчика практически одновременно производится образование траншеи, размотка и укладка кабеля. Поэтому траншейный способ применяется лишь там, где использование кабелеукладчика невозможно по условиям местности. Траншея отрывается механизмом (экскаватором) или вручную.

Прокладка кабеля в пластмассовой трубе

Размещение оптического кабеля в пластмассовом трубопроводе позволяет повысить механическую прочность и влагостойкость кабеля, не обладающего наружными металлическими покровами, и защитить его от грызунов.

Известны два способа реализации:

- протяжка оптического кабеля в предварительно проложенный в земле пластмассовый трубопровод;

- покладка оптического кабеля, встроенного в пластмассовую трубу в заводских условиях.

При первом способе пластмассовый трубопровод диаметром 40 или 50 мм укладывается в траншею на глубину 1,2 м традиционным способом. Операция по затягиванию оптического кабеля в трубопровод проводится таким же способом, как в случае прокладки электрических кабелей в кабельную канализацию. Вначале протягивается трос, а затем прикрепленный к нему кабель. При прокладке в трубопровод кабель предварительно смазывается. Затяжка кабеля в трубопровод производится в направлении, противоположном направлению прокладки трубопровода. В точках размещения сростков необходимо оставлять достаточный запас кабеля для последующего сращивания вне котлована. Хорошие результаты дает постановка трубопровода под избыточное воздушное давление. Это повышает влагостойкость трубопровода и позволяет определять место его повреждения.

Прокладка кабеля, встроенного в пластмассовую трубу заключается в следующем. Оптический кабель размещается в полиэтиленовой трубе толщиной 5 мм и внутренним диаметром 25 мм. Труба накладывается на кабель методом опрессования в заводских условиях. Воздушный пространство между кабелем и трубопроводом заполняется невысыхающим смазочным материалом. Полученное таким образом изделие “кабель-труба” наматывается на барабаны и поставляется на трассу. Прокладка производится кабелеукладчиком с соответствующим размером направляющей кассеты на глубину 1,2 м.

Прокладка кабеля в канализации

Процесс прокладки кабеля в телефонной канализации состоит из двух этапов: подготовительного и собственно прокладки. Подготовительный этап включает входной контроль кабеля, группирование строительных длин и подготовку телефонной канализации. Прокладка оптического кабеля в кабельную канализацию может выполняться непосредственно в канале или в полиэтиленовых трубах, предварительно затянутых в канал.

В одном трубопроводе городской телефонной канализации допускается прокладка не более трех оптических кабелей, как правило не имеющих наружного броневого покрова. Суммарная площадь сечения оптических кабелей не должна превышать 20-25% площади сечения канала.

Затягивание кабеля в свободные каналы осуществляется стальным тросом диаметром 5-6 мм. В занятые каналы кабели затягиваются с помощью пеньковых или стальных тросов в полиэтиленовых шлангах.

Скрепление оптического кабеля с тросом при прокладке осуществляют с помощью специального устройства - захвата или кабельного чулка. Вся нагрузка при прокладке в канализации воспринимают силовые элементы кабеля или внешние защитные покрытия, а стеклянные волокна не испытывают растягивающих усилий. Для уменьшения трения и поддержания усилий тяжения в пределах нормы используются смазочные материалы, которые позволяют снизить усилие тяжения минимум на 20%.

При прокладке оптического кабеля в кабельной канализации необходимы устройства, облегчающие эту прокладку и исключающие его повреждение. К таким устройствам относятся:

- лебедка ручная проволочная с регулируемым усилием тяжести;

- устройство для размотки кабеля с барабана;

- труба, направляющая кабель от барабана до канала канализации;

- ролики для прохождения заготовочного троса;

- кабельные блоки для плавного поворота в угловых колодцах;

- воронки, направляющие кабель в соответствующие трубы кабельной канализации;

- кабельный чулок;

- компенсатор кручения для исключения передачи на кабель скручивающих усилий.

Если внутри трубопровода отсутствует предварительно заготовленный трос, то его следует протянуть методом продувания, используя некий предмет -“птичку” с привязанной веревкой.

При затягивании в кабельную канализацию оптический кабель испытывает растягивающие нагрузки, которые могут оказать влияние на его физические и оптические параметры.

При прокладке ОК в канализации на прямолинейном участке трассы усилие тяжения определяется по формуле:

,

где Р - масса кабеля, кг/км;

f- коэффициент трения;

- длина кабеля, км.

По существующим нормам кабель должен выдерживать растягивающее усилие 1200 Н. Тогда, приняв двухкратный запас прочности на усилие тяжения, можно определить предельную длину затягиваемого оптического кабеля в прямолинейную канализацию. Она составит:

- 1000 м для бетонной канализации;

- 1180 м для асбоцементной каналазации;

- 1300 м для полиэтиленовой канализации.

Если трасса прокладки ОК не прямолинейная, то существенно возрастает усилие тяжения на участке изгиба, которое может быть определено по формуле:

,

где Т_п - усилие тяжести на прямолинейном участке трассы в начале изгиба;

Т_из - усилие тяжения в конце участка с изгибом;

Р - масса кабеля;

R- радиус изгиба трассы;

- угол поворота трассы, рад;

f - коэффициент трения.

Учитывая, что обычно для оптического кабеля соблюдается условие PR/T_п <<1, получим расчетную формулу для определения усилия тяжения кабеля при изгибе трассы

.

Различают следующие методы протягивания оптического кабеля в кабельной канализации:

- протяжка с одного конца;

- протяжка обратной подачей;

- двойная протяжка.

При протяжке с одного конца кабель, расположив его у одного колодца, затягивают его конец к другому колодцу

Протяжка обратной подачей или “затяжка от центра” иногда используется для прокладки длинных кабелей. При этом барабан с кабелем размещают у промежуточного колодца. Сначала кабель затягивают к более удаленному колодцу, после чего оставшуюся часть кабеля вручную снимают с барабана и укладывают на землю, как правило, восьмеркой, что препятствует накоплению кручения в кабеле. Затем к освободившемуся концу прикрепляют заготовочный трос, с помощью которого кабель затягивается в канализацию в противоположном направлении.

При двойной протяжке используется специальный двухсекционный барабан с разделительной перегородкой (рис. 1).



На барабан наматывается кабель вдвое большей максимальной длины, прокладываемой обычным способом. Барабан устанавливается у колодца, находящегося посередине участка, между крайними колодцами которого необходимо проложить кабель. Концы кабеля заводят в каналы противоположного направления и с помощью тяговых лебедок одновременно и синхронно затягивают обе половины строительной длины кабеля.

Если натяжение на лебедке превышает номинальную величину тягового усилия, то могут потребоваться точки промежуточного тяжения. Промежуточное тяжение, как правило, выполняется вручную. Рабочие расставляются у промежуточных колодцев вдоль кабельной канализации, берут в руки кабель или трос и плавно и синхронно тянут их к другой стороне колодца. При испльзовании многочисленных точек промежуточного тяжения длина протягиваемого кабеля ограничивается только его строительной длиной.

Подвеска в воздухе

Данный способ нашел широкое применение при прокладке оптического кабеля вдоль электрифицированных железных дорог, подвешивая кабель на опорах контактной сети. При этом кабель испытывает большие растягивающие усилия, поэтому в его конструкцию должны входить дополнительные силовые элементы или целесообразно использовать самонесущий кабель.

Однако, наиболее распространенной конструкцией при подвеске в воздухе является стандартный оптический кабель прикрепленный к несущему тросу (рис. 2).

Этот способ позволяет независимо выбирать и оптимизировать для конкретной прокладки несущий трос и кабель, подвешивать и правильно натягивать несущий трос до подвески кабеля.

Тип несущего троса зависит от веса поддерживаемого кабеля и метерологических условий местности (гололедных образований, скорости ветра и окружающей температуры).

В качестве несущих обычно применяются многопроволочные стальные тросы, конкретная марка которого определяется в соответствии с расчетами на механическую прочность.

После выбора соотвествующего троса последний разматывается вдоль трассы и поднимается на блоки установленные на каждой опоре.

Оптический кабель подвязывают или прижимают к несущему тросу, используя способы со стационарным или подвижным барабаном.

При использовании способа со стационарным барабаном к несущему тросу через 3 или 6 метровые интервалы подвешивают временные блоки или поддерживающие кольца. Рабочий, передвигаясь вдоль трассы в подъемной люльке протягивает по блокам или кольцам затягивающий трос или непосредственно оптический кабель. После протягивания кабеля по всем блокам или кольцам пролета приступают к привязыванию.

Привязывание кабеля к несущему тросу производится привязывающим или зажимным аппаратом. Привязывающий аппарат при протягивании его вдоль несущего троса с земли спирально наматывает вокруг несущего троса и кабеля стальную проволоку или диэлектрическую нить. По мере своего движения аппарат толкает блоки или кольца к концу пролета к следующей опоре, где их снимают, а перевязочный аппарат перставляют на следующий пролет. Зажимной аппарат работает аналогично привязывающему, только вместо непрерывной привязывающей проволоки кабель прикрепляется к несущему тросу отдельными металлическими зажимами.

При использовании способа с движущимся барабаном конец кабеля закрепляется на опоре у несущего троса. На несущий трос устанавливают направляющее устройство, через которое пропускают кабель. Барабан с кабелем устанавливается на грузовике и по мере его передвижения кабель сматывается с барабана, и через направляющее устройство подвешивается на несущем тросе, где и закрепляется с помощью привязывающего или зажимного аппарата. У каждой опоры направляющее устройство и прикрепляющий аппарат переставляют на новый пролет и процесс полностью повторяется до очередной опоры. Такой способ позволяет за один рабочий день прокладывать более 3 км кабеля.

Сращивание проложенных по воздуху оптических кабелей производится на весу или на земле, поднимая затем соединительное устройство и прикрепляя его к несущему тросу.

Прокладка продуванием волокон

Гибкость, малые размеры и вес оптических волокон привели к созданию принципиально нового метода прокладки волокон. Разработанный в Великобритании метод продувки волокон использует кабель с внешним диаметром 29 мм, который содержит семь пустых полимерных трубок (с внутренним диаметром 6 мм каждая). Поскольку волокна отсутствуют, то такой кабель можно прокладывать, не соблюдая особых предосторожностей.

Отдельные волокна или группы волокон (до 10 волокон в группе с общим диаметром не более 2 мм) продувают сжатым воздухом по трубкам на расстояние до 2 км.



Лекция 10

1. Соединение оптических волокон

Соединение оптических волокон является наиболее ответственной операцией при монтаже кабеля, предопределяющей качество и дальность связи по ВОЛС. Соединение волокон и монтаж кабелей производятся как в процессе производства, так и при строительстве и эксплуатации кабельных линий.

Монтаж подразделяется на постоянный (стационарный) и временный (разъемный).

Постоянный монтаж выполняется на стационарных кабельных линиях, прокладываемых на длительное время, а временный - на мобильных линиях, где приходится неоднократно соединять и разъединять строительные длины кабелей.

Соединители оптических волокон, как правило, представляют собой арматуру, предназначенную для юстировки и фиксации соединяемых волокон, а также для механической защиты сростка.

Основными требованиями к ним являются:

- простота конструкции;

- малые переходные потери;

- устойчивость к внешним механическим и климатическим воздействиям;

- надежность.

Дополнительно к разъемным соединителям предъявляется требование неизменности параметров при повторной стыковке.

Потери, вносимые соединением оптических волокон в тракт передачи кабеля, делятся на две группы: внешние и внутренние.

Внешними называются потери, связанные с особенностями метода соединения, в том числе, с подготовкой концов волокон, и включающие в себя поперечное смещение сердечника, разнесение торцов, наклон осей, угол наклона торца волокна, френелевские отражения.

Внутренними называются потери, связанные со свойствами самого волокна и обусловлены, например, вариациями диаметра сердечника, числовой апертуры, профиля показателя преломления, некруглостями сердечника, неконцентричностью сердечника и оболочки.

Внутренние потери

Внутренние потери являются следствием соединения двух неодинаковых волокон, обладающих, в основном, различными диаметрами и числовой апертурой.

В многомодовых стекловолокнах внутренние потери зависят от направления распространения света (рис. 1).

При распространении света слева-направо потери на стыке равны нулю, при обратном направлении распространения света часть его переходит в оболочку 50 мкм волокна и теряется.

Данные потери зависят от характера распределения оптической мощности по торцу волокна. При этом различают однородное распределение мощности, когда она одинакова во всех точках торца волокна, и равновесное распределение, когда мощность сконцентрирована в центре сердечника световода. В табл. 1 приведены значения равновесных внутренних потерь на стыке различных многомодовых световодов.

Таблица 1

Принимающее	Потери (дБ)
волокно с	Передающее волокно с диаметром сердечника (мкм)
с диаметром сердечника (мкм)	50 (NA=0,20)	50 (NA=0,23)	62,5 (NA=0,275)	85 (NA=0,26)	100 (NA=0,29)
50 (NA=0,20)	0	0,42	2,1	3,8	5,6
50 (NA=0,23)	0	0	1,5	3,1	4,8
62,5 (NA=0,275)	0	0	0	0,96	2,3
85 (NA=0,26)	0	0	0,5	0	0,8
100 (NA=0,29)	0	0	0	0	0

В одномодовых световодах внутренние потери не зависят от направления передачи и определяются только несоответствием диаметров поля моды сопрягаемых волокон ( рис. 2).

Волокно 1 с диаметром поля моды излучает свет в виде конуса с углом от торца волокна. Учитывая, что диаметр поля поля волокна обратно пропорционален углу приема излучения ( ) волокно 1 излучает свет в больший конус, чем принимает волокно 2, и часть излучения теряется. И наоборот, при распространении света от волокна 2 к волокну 1 часть света распространяется вне сердечника волокна 1 и тоже теряется.

Таким образом, потери из-за различия диаметров поля моды и конусов приема одинаковы в обоих направлениях и рассчитываются по формуле:

, дБ.

Значения равновесных внутренних потерь на стыке наиболее распространенных одномодовых волокон с несмещенной дисперсией приведены в табл. 2.

Таблица 2

Потери (дБ)
	Волокно 2
Волокно 1	Выровненная оболочка	Вдавленная оболочка
	2=10,0 мкм	2=9,5 мкм	2=8,8 мкм
Выровненная оболочка 2=10,0 мкм 2=9,5 мкм	0 0,01	0,01 0	0,07 0,02
Вдавленная оболочка 2=8,8 мкм	0,07	0,02	0

Внешние потери

Внешние потери обусловлены четырьмя основными причинами: радиальное смещение волокон, угловое смещение, осевое смещение и качество торцов. Кроме того, необходимо учитывать деформации сердечника и соответствие между показателями преломления волокон. Для получения малых потерь на стыке торцов волокон должны находиться в тесном физическом контакте друг с другом, или зазор между ними должен быть заполнен веществом (иммерсионной жидкостью) в точности соответствующим показателям преломления сердечников волокон. На рис. 3 представлены возможные дефекты сопряжения оптических волокон и графики, отражающие количественную оценку внешних потерь.

В реальных соединениях необходимо учитывать воздействие суммарных, т. е. полных потерь, определение которых зависит от типа сопрягаемых волокон.

В многомодовых световодах полные потери на стыке волокон обычно меньше, чем сумма отдельных внутренних и внешних составляющих. Принято считать, что потери на стыке многомодовых волокон не зависят от длины волны. В действительности из-за несоответствия внутренних параметров волокон на стыке возникают пульсации (осцилляции) потерь, которые присходят вследствии того, что принимающее волокно не может принять все моды от передающего (рис. 4).

Осцилляции потерь на стыке возрастают с увеличением длины волны.



Кроме того, потери на стыке зависят от относительного положения стыков. Стыки имеют тенденцию влиять на распределение мощности, и поэтому потери на конкретном стыке зависят от потерь на предыдущем (рис. 5).

Если волокно А достаточно длинное, то мощность на его конце имеет равновесное распределение. Осевое смещение на первом стыке вызывает потери части мощности на конце распределения и перераспределяет мощность к внешним краям сердечника второго волокна. Если волокно Б короче, чем требуется для восстановления равновесного распределения мощности, то осевое смещение на втором стыке вызовет большую, чем на первом стыке потерю мощности.

В одномодовых волокнах полные потери на стыке практически соответствуют сумме внешних и внутренних потерь. Более того, такие волокна имеют только одну моду, и поэтому на их стыке отсутствуют пульсации, которые наблюдались в многомодовых волокнах. При отсутствии отражения потери на стыке монотонно уменьшаются с ростом длины волны, что обусловлено ростом диаметра поля моды.

Таким образом, потери на стыке одномодовых волокон проще в анализе, измерении и воспроизведении, чем на стыке многомодовых волокон.

Если в процессе соединения оптических волокон присутствует хотя бы одно из рассмотренных смещений, то часть оптической мощности отражается от места соединения. Такое явление получило название Френелевского отражения. Отражение на стыке оптических волокон приведено на рис. 6.

Отражение на границе раздела двух сред (рис. 6а) характеризуется параметром R, который представляет собой отношение мощности отраженной волны к мощности падающей волны, и рассчитывается по формуле:

,

где n₁ и n₂ - показатели преломления соответствующих сред.

В результате мощность на выходе волокна уменьшается по сравнению с падающей мощностью. Такие потери за счет отражения получили название Френелевских потерь, рассчитываемых по формуле:

Например, потери на границе волокно-воздух, учитывая, что n₁=1,46, a n₂=1, составляют 0,15 дБ.

При наличии осевого смещения различают две границы раздела (рис. 6б). Тогда параметр R рассчитывается по формуле:

,

где R₁ и R₂ - параметры отражения на соответствующей границе;

z- ширина зазора.

Взаимодействие многократных отражений приводит к увеличению потерь на стыке, которые рассчитываются по формуле:

, дБ.

Соединения волокон, кроме того, вызывает изменение во времени взаимодействие передаваемых мод друг с другом, что приводит к флуктуации оптической мощности и появлению, так называемых, межмодовых шумов. Межмодовые шумы проявляются как в многомодовых, так и в одномодовых волокнах.

Взаимодействие мод, зависящее от времени, происходит вследствие ряда причин: изменение во времени длины волны излучения и параметров лазеров, характеристик волоконного световода.

Модовый шум можно увидеть, заглянув в торец относительно короткого многомодового волокна, возбуждаемого лазером. Различимые темные и светлые пятна - спеклы- являются следствием интерференции различных мод. Изменение спекл-картины на несовершенном стыке приводит к изменению потерь.

Интерференция мод зависит от временных соотношений между модами, поэтому лазерные источники излучения, способные сохранять временные свойства своего излучения, создают больший межмодовый шум, чем некогерентные источники излучения (светодиоды). С увеличением длины волоконного световода спекл-картина исчезает, что способствует уменьшению межмодовых шумов.

В идеальных одномодовых световодах межмодовый шум отсутствует. Однако, реальные одномодовые волокна допускают распространение моды второго порядка, которая возникает на стыках сопрягаемых волокон. Благодаря разнице во времени распространения основной моды и моды второго порядка происходит интерференция мод и появление межмодового шума.

Соединение волокон

В процессе монтажа оптической магистрали осуществляется стационарное (неразъемное) соединение отдельных строительных длин кабеля. При вводе оптического кабеля в здание или репиторные пункты для многократного соединения-разъединения с оптоэлектонным оборудованием применяются разъемные соединители - коннекторы.

Соединение оптических волокон осуществляется в следующей последовательности.

1. Подготовка торцов волокон.

До начала соединения двух волокон требуется некоторая подготовка торцов волокон, которая заключается в удалении первичного защитного покрытия волокон с последующей заготовкой гладкого их торца путем скалывания или полировки.

Для удаления первичного покрытия с волокна можно использовать химические и механические способы зачистки.

Для химической зачистки применяются растворители красок, которые содержат в качестве активного вещества метилен хлорид. После замачивания концов стекловолокон в емкости с растворителем в течении минуты происходит размягчение первичного защитного покрытия, которое при незначительных усилиях снимается с волокна. Очищенное волокно вытирается мягкой тканью смоченной спиртом или ацетоном. При заводском способе зачистки в качестве активного вещества с соответствующими предосторожностями применяют горячую серную кислоту.

Механическая зачистка нашла широкое применение при подготовке торцов волокон в полевых условиях. В качестве инструмента применяется аналогичное устройство, которое используется для снятия изоляции с медных проводов, но отличающееся большей точностью, чтобы исключить повреждение волокон режущими лезвиями. Очищенное волокно вытирается сухой мягкой тканью или смоченной спиртом или ацетоном.

Скалыванием называют подготовку торца волокна с нанесением царапины и последующим разломом. Для нанесения царапины используется, как правило, алмазное лезвие. После нанесения царапины волокно растягивается, что вызывает рост засечки и скалывается. Обе эти операции можно выполнить с помощью специального устройства. Зачищенное волокно вставляют в данное устройство, зажимают его, давлением на рычаг царапают волокно, захватывая и растягивая его зажимом ломают.

Качество скола торца волокна зависит от скалывающего устройства и опыта оператора. Плохой скол создает дефекты типа выступа, матовости или волнистости, которые приводят к потерям на стыке.

Шлифовка и полировка торца волокна производится с помощью разнообразных держателей на сухой абразивной бумаге или бумаге, смоченной для отвода тепла водой или абразивными пастами.

После скола или полировки подготовленное волокно необходимо обследовать при помощи микроскопа или десятикратной лупы. При наличии неоднородностей требуется повторить скалывание или продолжить полировку.

2. Сращивание.

Сращивание осуществляется методом сварки или с помощью механического сростка.

Сварка

Сварка является наиболее распространенным способом соединения волокон. Сварка заключается в местном нагреве границы раздела двух состыкованных и предварительно отцентрированных торцов волокон, в результате которого волокна сплавляются друг с другом. В качестве источника энергии используется электрическая дуга, возникающая между электродами, пламя газовой горелки или лазер. Наибольшее распространение получила электрическая дуга, поскольку она позволяет довольно просто регулировать нагрев и работать в полевых условиях.

Установка для сварки предусмтривает следующие операции.

Очищенные и сколотые торцы волокон зажимают на позиционных платформах с определенным зазором, который позволяет их центрировать вручную или автоматически. После выравнивания производится скругление торцов волокон (предварительное оплавление) маломощной дугой, выжигая при этом посторонние вещества. После этого увеличивают тепмературу дуги и нагретые торцы волокон сводят вместе, вдавливая друг в лруга на определенную длину (длину хода сжатия). Вдавливание (обычно несколько микрон) предотвращает образование горловины в месте сращивания. После вдавливания температуру дуги постепенно уменьшают до полного выключения установки. Образовавшийся сросток подвергают проверочным испытаниям, затем восстанавливают защитное покрытие и, при необходимости, усиливают.

Качество сварки зависит от расстояния между электродами, времени предварительного оплавления и собственно сварки, тока электрической дуги и длины хода сжатия.

Большинство современных сварочных устройств содержат микропроцессоры, которые выполняют все операции сварки автоматически. Рассмотрим возможности таких устройств на примере сварочного аппарата фирмы “Sumitomo type 35 SE.

Этот аппарат позволяет сваривать любые типы волокон в ручном и автоматическом режимах, тестирует волокно перед сваркой, устанавливает оптимальные параметры работы, оценивает качество поверхностей волокон перед сваркой, измеряет потери в месте соединения волокон, и, если это необходимо, дает команду повторить сварку. Кроме этого аппарат защищает место сварки специальной гильзой и проверяет на прочность сварное соединение. Аппарат позволяет сваривать одномодовые и одномодовые стекловолокна с потерями 0,01 дБ, что является превосходным результатом. Однако, аппараты довольно дороги. Тем не менее, предпочтение отдается именно им, так как, используя их достигаются две цель:

-высокое качество сварки;

-высокая скорость работ, что немаловажно пр выполнении ответственных заказов (срочная ликвидация аварии на магистральной линии связи).

Компанией Sumitomo Electric Industries разработан сварочный аппарат для одновременного сращивания нескольких волокон оптического кабеля ленточного типа, что позволяет резко скратить время и расходы на сварку.



Механические сростки

Под словом механические подразумевают все несварные сростки. Разработано большое разнообразие механических сростков. Но для всех них требуются подготовка сростка к соединению (скалывание или полировка торца волокна) и вещество для выравнивания показателя преломления отдельных стекловолокон, элементы для центрирования волкон, а также зажимы или клей для фиксации положения волокон.

Выравнивающим веществом может служить гель, смазка или клей.

Гель используется как жидкость, которая затвердевая образует устойчивое связывающее вещество. Смазки не затвердевают, поэтому они менее стабильны к окружающим условиям.

Механическое сращивание подразделяется на активное или пассивное в зависимости от того производится ли выравнивание волокна для оптимизации потерь или нет.

При механическом сращивании отдельных волокон доминируют три технологии:

- четырехстержневые направляющие компании TRW;

- эластомерные сростки компании GTE;

- вращаемый сросток компании AT&T.

Начиная с 1980 г., компания TRW освоила выпуск механических сросток Optasplice. Основой этой конструкции является направляющие, состоящие из четырех стеклянных стержней, которые образуют ромбоидальное отверстие с четырьмя V-образными желобками (рис. 7).

Волокна вставляют в отверстие, а пустые пространства заполняют выравнивающим клеем, который затвердевает под действием ультрафиолетового излучения. Поверх направляющих надевают защитную трубку из нержавеющей стали.

В 1981 г. компания GTE освоила выпуск механических сростков, основу которых составляют две вставки из эластомерного полистирола (рис. 8).

Одна из вставок имеет по всей длине V-образный желобок с углом 60⁰, а вторая - плоскую поверхность. Сложенные вставки центрируют и прижимают предварительно заготовленные волокна. Надетая поверх стеклянная трубка фиксирует сросток. Свободные пространства заполняют затвердевающим клеем.

Точной подстройки можно добиться во вращаемом механическом сростке компании AT&T, внедренном в 1985 г. (рис. 9).

В этом сростке для подготовки торцов волокон используют полировку. Сросток можно легко подстраивать путем вращения двух стеклянных втулок, в которые вставляются волокна. Втулки закрепляются в треугольных муфтах. После выравнивания волокон свободные пространства заполняют затвердевающим клеем.

И, наконец, в 1988 г. компания 3М освоила выпуск сростка оптических волокон: Fibrlock (рис. 10).

В этом сростке волокна выравнивают и зажимают в V-образном элементе из алюминиевого сплава. Сжимание производится с помощью пластмассовой крышки. Все рустоты заполняются выравнивающим веществом.

Без активной подстройки все расмотренные механические сростки обеспечивают величину затухания при сращивании одномодовых световодов не более 0,2 дБ. При подстройке потери на сростке не превышают 0,05 дБ.

Многоволоконные соединители целесообразно использовать при сращивании волокон ленточных кабелей.

Фирмой AT&T разработан быстрый ленточный сросток, который обеспечивает одновременное соединение 12 волокон в полевых условиях.

Все сростки в ленте полируют одновременно, зачищают и укладывают в пазы на гравированной полимерной подложке. Поверх накладывают гравированную крышку и зажимают пружинами. Через отверстстие в крышке заполняют все пустоты выравнивающим веществом. Средние потреи при сращивании многомодовых волокон составляют менее 0,3 дБ и для одномодовых волокон - 0,5 дБ.

Коннекторы

Оптические коннекторы - это механическое устройство предназначенное для многократных соединений. Они обеспечивают быстрый способ переконфигурации оборудования, проверки волокон, подсоединения к источникам и приемникам света.

Перед установкой коннектора торец волокна зачищают, а затем скалывают или полируют. Коннекторы в основном создают большие потери, чем сростки, так как в них обычно не используется выравнивающее показатели преломления вещество, и они не подстраиваются.

Коннектор для соединения одиночных волокон состоит из двух основных частей: штекера и соединителя.

Штекер состоит из цилиндрической или конической втулки с волоконом внутри капилярного отверстия, проходящего по центральной оси втулки. Штекер имеет резьбовую крышку, которая удерживает штекер и соединитель вместе. Для приложения контролируемой нагрузки на границу волокон крышка может иметь пружину, для предотвращения поворота штекера внутри соединителя - ключ, для ограничения минимального радиуса изгибв волокна при вводе в штекер - защитную трубку, для предотвращения выдергивания волокна - рукав для снятия деформации.

Существует пять наиболее распространенных типов коннекторов: SMA, биконический, ST коннектор, FS и D4.

Коннекторы SMA (Sub-Miniature type A) применяются для соединения многомодовых световодов. SMA поставляется в двух моделях: 905 и 906. SMA штеккер состоит из цилиндрической втулки (диаметр для соответствующих моделях - 3,2 мм и 3,0 мм) изготовленной из полимера или алюминия, стали, латуни или керамики. В 906 модели для лучшего выравнивания применяется полимерная выравнивающая муфта, которая надевается на кончик втулки. SMA штекеры подсоединяются к своим соединителям посредством гайки с резьбой. Давление на стыке зависит от того, насколько туго завернута гайка, что предопределяет величину потерь на стыке.

Биконические коннекторы. Выпускаются компанией AT&T и используются для соединения как многомодовых, так и одномодовых световодов. Втулка такого коннектора имеет форму усеченного конуса, а соединяющая муфта имеет два соответствующих внутренних сужения, отчего коннектор получил название биконический. Сужения обеспечивают легкость вставки штекера и незначительное истирание втулки и муфты, что придает ему большую долговечность по сравнению с остальными четырьмя типами коннекторов. Втулку и муфту биконических коннекторов изготавливают из полимера или нержавеющей стали. Торцы волокон только полируются. Пружина, расположенная в штекере гарантирует контролируемую продольную нагрузку, действующую на муфту, независимо от силы завинчивания. Для предотвращения вращения втулки в муфте в штекере установлен ключ, который выравнивается с пазом на втулке.

ST коннектор выпускается компанией AT&T, представляет собой высококачественный малогабаритный соединитель, который нашел применение для стыковки как многомодовых, так и одномодовых световодов. Штекер ST коннектора состоит из цилиндрической втулки, изготовленной из полимера или нержавеющей стали, диаметром 2,5 мм. Втулки выравниваются разъединительной муфтой с поперечным сечением, напоминающим сечение поршневого кольца в бензиновых двигателях. Этим достигается равномерное распределение в муфте радиальной силы, которая действует на вставляемую втулку. Как и в биконических коннекторах в ST коннекторах муфта мягко расположена в корпусе соединителя. Наличие ключа и пружины, контролирующей силу на конце втулки, уменьшают вероятность повреждения волокон. В отличие от других четырех типов коннекторов ST коннектор имеет не резьбовую крышку, а защелкивающийся байонетный механизм. Поворот крышки на 45⁰ завершает соединение.

FC коннектор разработан японской компанией NTT и обеспечивает высококачественное соединение как многомодовых, так и одномодовых световодов. Коннектор имеет втулку диаметом 2,5 мм, которая изготавливается из керамики, нержавеющей стали или композита из оболочки из нержавеющей стали и керамической внутренности. Зачищенное волокно вставляется в отверстие в центре втулки, закрепляется и полируется. Как и ST коннектор FC коннектор имеет разъединительную муфту, мягко расположенную в корпусе соединителя, подпружиненную втулку и ключ.

...