Введение в волоконно-оптические кабели. Часть 2

Цветовая кодировка оптических волокон у российских производителей пока не стандартизована. Ниже мы приводим таблицу кодировки на примере АО «Ростелеком» и американского стандарта EIA/TIA.

Таблица 4.

Цветная кодировка оптических волокон:

Окраска ОВ в современных условиях производится на высокопроизводительных машинах со скоростью свыше 300 м/мин. При этом существует возможность проведения дополнительного теста на перемотку с натяжением.

Модули

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

Модули могут быть трех видов:

• Модули со свободной укладкой волокон;
• Модули с плотной упаковкой волокон;
• Ленточные волокна.

3.1. Модули со свободной укладкой волокон

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

Рисунок 4. Модуль

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

• обратимость деформации, т.е. возврат к первоначальной форме после снятия напряжения;
• высокая стойкость к раздавливающим нагрузкам;
• стойкость к растяжению;
• низкий коэффициент трения.

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

Волокна располагаются в трубке модуля с зазором, равным нескольким десятым миллиметра, могут перемещаться в радиальном направлении, и таким образом компенсировать растягивающее напряжение, давление, крутящие и изгибающие усилия, а также влияние изменения температуры (см. Рис.8). Перемещения волокон не вызывают большого сопротивления, так как поверхности оболочки гладкие и коэффициент трения внутренней поверхности низкий.

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

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

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

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

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

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

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

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

Именно сочетание распрямления волокна и смещения его внутри модуля обеспечивают большой предел удлинения кабеля с модулями такого типа (подробнее об этом в разделе 4.1.2).

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

3.2. Модули с плотной упаковкой волокон

Другой способ защиты волокна с первичным покрытием заключается в нанесении толстого слоя полимера непосредственно на волокно с первичным покрытием, общая толщина которого составляет 245, 500 мкм. Это достаточно простой способ защитить волоконный световод от внешних воздействий. С помощью такого типа конструкции жилы достигается уменьшение внешнего диаметра, по крайней мере, на 0.5 мм по сравнению с диаметром модуля со свободной укладкой волокон.

Данная оболочка, представляющая собой защитный слой из мягкого поливинилхлорида (ПВХ) с наружным диаметром 0.9 мм, накладывается экструзионным методом непосредственно поверх защитного покрытия световода (стандартный диаметр 0.25 мм).

Во время экструзии производится также окраска готового волокна в определенные цвета, что облегчает его идентификацию при монтаже кабеля, а также оболочка модуля может иметь цветную маркировку.

Однако при таком типе модулей, упругие удлинения кабеля, вследствие высокого напряжения при растяжении, могут передаваться непосредственно на световод, так как требуемый запас длины, который имеется у модуля со свободной укладкой волокон, отсутствует. Данный недостаток можно компенсировать увеличением сечения кабеля за счет свободного размещения модулей и правильно выбранного типа их скрутки. При этом, однако, теряется преимущество меньшего внешнего диаметра и веса по сравнению с модулями со свободной укладкой волокон.

Модули с плотной упаковкой волокон в основном применяются в кабелях для внутренней прокладки. Это связано как с узким диапазоном рабочих температур, так и с простотой разделки и оконцовки подобных кабелей: в них нет пачкающегося гидрофобного компаунда, они не требуют столь же бережного обращения с отдельными волокнами. Основное применение подобных модулей в локальных сетях с использованием многомодовых волокон. Однако, по мере повышения скорости передачи информации, снижения цен на лазерные диоды (передатчики), происходит переход на одномодовое волокно.

В случае применения таких конструкций кабелей для внешней прокладки, что особенно распространено у японских производителей, проектировщик линии обязан рассчитать так называемый проектный срок службы волокон до обрыва при заданной вероятности (как правило, 99%) и в случае необходимости внести соответствующие поправки в проект. Учитывая эти трудности, в кабелях для сетей дальней связи, как правило, используются модули со свободной укладкой волокон.

Обратите внимание на наши специальные предложения: