Автор: Виноградов В.В. Котов В.К. Нуприк В.Н.
Теги: электротехника электрическая связь электроника электрические сети
ISBN: 5-94069-018-1
Год: 2002
Текст
В.В. Виноградов, В.К. Котов, В.Н. Нуприк
ВОЛОКОННО-
ОПТИЧЕСКИЕ
ЛИНИИ СВЯЗИ
Утверждено Департаментом кадров и учебных заведений
МПС России в качестве учебного пособия для студентов
техникумов и колледжей железнодорожного транспорта
Москва
2002
УДК 621.39.029.7(075.8)
ББК 32.889 я73
В 49
Виноградов В.В., Котов В.К., Нуприк В.Н. Волоконно-
оптические линии связи: Учебное пособие для техникумов и ко-
леджей ж.-д. трансп. — М.: ИПК «Желдориздат», 2002. —
278 с.
Приведены основы теории распространения световых сигналов по
оптическим волокнам и характеристики, определяющие их качество и
долговечность; оптоэлектронные и пассивные элементы ВОЛС; меха-
нические и оптические характеристики оптических кабелей связи и
методы измерений последних; вопросы проектирования, строительст-
ва и эксплуатации ВОЛС. Изложены вопросы современных технологий
прокладки, монтажа и диагностики состояния ВОЛС в процессе
эксплуатации.
Для студентов техникумов и колледжей железнодорожного тран-
спорта специальностей «Автоматика, телемеханика и управление на
железнодрожном транспорте» и «Технологическая связь на желез-
нодорожном транспорте». Может быть полезно специалистам по
проектированию и эксплуатации линейных сооружений связи на же-
лезнодорожном транспорте и других ведомств.
Книгу написали: Виноградов В.В. — главы 3, 4, 5, 7; Ко-
тов В.К. — главы 1, 2; Нуприк В.Н. — главы 6, 8, 9.
Рецензенты:зам. руководителя Департамента информатизации
и связи МПС России — Черников А.А.; канд. техн, наук, доцент
кафедры «Радиотехника и электросвязь» МИИТа — Казанс-
кий Н.А.; преподаватель Орловского техникума ж.-д трансп. —
Щеголев Н.А.
ISBN 5-94069-018-1
© Виноградов В.В., Котов В.К.,
Нуприк В.Н., 2002
© ИПК «Желдориздат», 2002
Предисловие
Концепция дальнейшего развития первичной взаимосвязан-
ной сети связи Российской Федерации до 2005 г. предусматри-
вает ее осуществление в основном за счет нового строитель-
ства волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) с при-
менением цифровых систем передачи и коммутации. ВОЛС
служит для образования линейного тракта передачи инфор-
мации между оконечными и/или промежуточными комплек-
тами аппаратуры систем передачи информации, а также между
коммутационными станциями.
Программой создания единой магистральной цифровой сети связи
МПС России, принятой Коллегией МПС 1 апреля 1999 г., ус-
танавливается, что к концу 2001 г. будет построено около
29 тыс. км ВОЛС.
Реализация указанных программ невозможна без обеспече-
ния дистанций информатизации и связи высококвалифициро-
ванными техническими инженерными кадрами.
В пособии большое внимание уделено пояснению преемст-
венности подходов, принятых в свое время при рассмотрении
симметричной паре применительно к оптическому волокну как
с точки зрения оценки условий передачи сигналов, так и с точки
зрения правил обращения с нею в процессе строительства и эк-
сплуатации.
Рассмотрены особенности оптического волокна как направ-
ляющей системы, обусловленные оптическим диапазоном пе-
редаваемых частот и физико-химическими свойствами кварце-
вого стекла.
Приведены физические и математические модели, принятые в на-
стоящее время д ля отражения особенностей распространения электро-
магнитных волн в оптическом диапазоне частот, а также поясняются
причины деградации в процессе эксплуатации параметров пе-
редачи и механической прочности оптических волокон.
3
Большое внимание уделено тому, каким образом обеспе-
чивается стабильность разнообразных характеристик оптичес-
кого волокна в процессе срока его службы на этапе его изго-
товления, упаковки в кабельную конструкцию, а также в
процессе выполнения строительно-монтажных работ.
Приведены практические рекомендации пользователю
ВОЛС по выбору и оценке качества оптических волокон различных
производителей, отражен вклад связистов железнодорожного транс-
порта в разработку и внедрение новых технологий строительства и
монтажа ВОЛС, которые в дальнейшем нашли применение при стро-
ительстве ВОЛС и в других ведомствах.
Написание пособия осложнялось неустоявшейся терминологией в
области ВОЛС и неадекватностью перевода английских терминов.
Поэтому там, где авторы считали необходимым, они привели русское
и английское написания терминов.
При изложении некоторых технических деталей авторы, несмотря
на совместную работу, сохранили свое видение приоритетов и стиль
изложения. Это позволяет читателю с одной стороны обратить внима-
ние на эти детали, а с другой — стимулировать интерес к самосто-
ятельной работе.
Материалы пособия можно рассматривать как введение для изуче-
ния специальной литературы по названной тематике.
Полагаем, что пособие будет полезно не только для студентов
техникумов, но и для инженерно-технических работников, связанных
с проектированием, строительством и эксплуатацией волоконно-опти-
ческих линий связи.
4
Глава 1
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ
ЛИНИЙ И СЕТЕЙ СВЯЗИ
1.1. Области использования оптических
волокон и волоконно-оптических
кабелей связи на железнодорожном
транспорте
Волоконно-оптическая связь является областью техники, которая
возникла в результате объединения оптической связи — передачи
информации в виде модулированного пучка света — и волоконной
оптики — распространения света внутри гибких оптических волокон.
Каждая из этих областей характеризуется ограниченным примене-
нием при отдельном использовании. Однако их объединение дает
дополнительные преимущества, которые обусловили широкое вне-
дрение средств волоконно-оптической связи в различных отраслях
производства.
На железных дорогах различных стран мира средства волоконно-
оптической связи применяются с 1985 г. В настоящее время можно
выделить четыре области, связанные с их использованием на желез-
нодорожном транспорте: волоконно-оптические линии связи (ВОЛС);
локальные вычислительные оптические сети (ЛВОС); системы видео-
наблюдения; волоконно-оптические преобразователи (ВОП).
Общим для них является применение электронно-оптических и
оптоэлектронных преобразователей и оптических волокон. По сравне-
нию с медными жилами кабелей связи оптические волокна и кабели
обладают следующими преимуществами:
большой пропускной способностью;
защищенностью от внешних электромагнитных воздействий;
отсутствием взаимных влияний между сигналами, передаваемыми
по различным оптическим волокнам;
малыми потерями энергии сигнала при его распространении;
электрической безопасностью;
5
экономичностью;
высокой степенью защищенности от несанкционированного дос-
тупа;
небольшой массой и габаритами.
Кроме того, использование волоконно-оптических кабелей (ВОК)
способствует экономии дефицитных цветных металлов, таких, как
медь и свинец. Однако у ВОЛС есть и недостатки: например, высокая
стоимость оптического интерфейсного оборудования.
Волоконно-оптические линии связи. Первая ВОЛС на отечествен-
ных железных дорогах была создана в 1985 г. на участке Ленинг-
рад — Волховстрой Октябрьской железной дороги и долгое время
(до 1992 г.) являлась наиболее протяженной ВОЛС (120 км) не толь-
ко на транспорте, но и среди ВОЛС Министерства связи.
Для работы опытной цифровой волоконно-оптической системы
передачи информации «Свирь» использовался многомодовый воло-
конно-оптический кабель, проложенный в грунте. Созданная линия
связи обеспечивала организацию двух линейных трактов со скорос-
тью передачи информации 8,448 Мбит/с каждый. Один из трактов
ВОСП «Свирь» предназначен для организации каналов оперативно-
технологической связи на участке, другой — для дорожных видов
связи между оконечными станциями.
Многолетний опыт эксплуатации этой линии, оборудованной ВОСП
плезиохронной цифровой иерархии (PDH), и других отечественных и
зарубежных ВОЛС позволил оценить трудности и преимущества при-
менения новых средств связи, целесообразность и эффективность
создания железнодорожных ВОЛС.
Так, несмотря на большую стоимость и сложность в монтаже,
перспективными для железнодорожного транспорта являются одно-
модовые ВОК, обладающие практически неограниченными возмож-
ностями в увеличении пропускной способности ВОЛС, оборудуемых
ВОСП синхронной цифровой иерархии (SDH). Использование много-
модовых ВОК в основном ограничено местными и внутриобъектовы-
ми сетями.
В 1993 г. на участке С.-Петербург — Москва Октябрьской желез-
ной дороги в течение четырех месяцев была построена ВОЛС с ис-
пользованием одномодового ВОК и оборудования SDH. Короткие
сроки строительства линии связи были достигнуты благодаря исполь-
зованию технологии подвески кабеля на опорах контактной сети.
Успешный опыт эксплуатации этой и других ВОЛС на железных
дорогах страны, необходимость развития информационных техноло-
6
гий отрасли позволили разработать концепцию развития телекомму-
никаций железнодорожного транспорта до 2005 г., основу которой
составляют ВОЛС. Общая протяженность ВОЛС должна составить
45-50 тыс. км, или 50% эксплуатационной протяженности дорог.
В первую очередь ВОЛС должны быть построены на направлениях
Запад - Восток и Север - Юг и связать практически все управления
железных дорог между собой. Они станут «хребтовыми» линиями
для создания региональных цифровых сетей связи железных дорог.
В настоящее время введена в эксплуатацию ВОЛС на направлении
Москва - Воронеж - Новороссийск - Адлер протяженностью свыше
2000 км. Осуществляется строительство ВОЛС на направлении Мос-
ква - С.-Петербург - Петрозаводск - Мурманск. Строительство ВОЛС
на направлениях Москва - Ярославль - Архангельск, Москва - Са-
ратов - Махачкала, Москва - Урал - Сибирь - Хабаровск - Влади-
восток - Ванино в сочетании с системами спутниковой и радиоре-
лейной связи позволит объединить в одну информационную транс-
портную среду железные дороги и основные порты РФ, создать ус-
ловия для внедрения новых информационных технологий, организа-
ции централизованного управления перевозками в целом на направ-
лениях Запад - Восток, Север - Юг.
При строительстве ВОЛС на каждом конкретном направлении,
участке железных дорог, осуществляется выбор типа ВОК, его кон-
структивных и оптических характеристик с учетом способа про-
кладки (подвески), технологии выполнения аварийно-восстанови-
тельных работ, варианта технического обслуживания сети связи,
цены простоя линейного тракта, требуемого значения коэффициента
готовности ВОЛС, территориального распределения потребителей
услуг в районе прохождения трассы ВОЛС и величины передавае-
мого трафика. На электрифицированных участках железных дорог
используются ВОК без металлических элементов в конструкции, не
требующие применения специальных мер защиты от опасных элек-
тромагнитных влияний со стороны контактной сети переменного
тока и грозовых разрядов.
В МПС имеется опыт проектирования и реализации различных
способов прокладки-подвески ВОК на различных участках: непос-
редственно в грунт, в полиэтиленовом трубопроводе, в кабельном
желобе, подвеска самонесущего кабеля на опорах контактной сети
или высоковольтных линий автоблокировки.
Из перечисленных способов в настоящее время наиболее широко
применяется подвеска на опорах контактных сетей электрифицирован-
7
ных железных дорог. Это позволяет сократить сроки строительства
по сравнению с традиционными способами прокладки кабеля в грунт.
Вместе с тем считается, что риск механического повреждения для
воздушных кабелей выше, чем для кабелей, проложенных под зем-
лей. Поэтому там, где позволяет трасса, целесообразно применять
подземные варианты прокладки.
Полиэтиленовый трубопровод надежно защищает ВОК от механи-
ческих повреждений и грызунов. Диаметр трубопровода достаточен
для затягивания в него нескольких ВОК. Этот способ прокладки
лишен недостатков подвески, допускает применение кабелеуклад-
чиков.
В 1996 г. на Октябрьской железной дороге начато строительство
дублирующей ВОЛС С.-Петербург — Москва, связанное с реконст-
рукцией систем связи и автоматики главного пути под скоростное
движение поездов. На этом участке дороги впервые в России был
при-менен такой способ прокладки, получивший высокую оценку
специалистов. В настоящее время прокладка ВОК в трубопроводах
применяется не только на железных дорогах, но и в других ведом-
ствах с особыми требованиями к надежности.
Локальные вычислительные оптические сети (ЛВОС). Локаль-
ные сети получили в последние годы широкое распространение во
всех службах, подразделениях железнодорожного транспорта в связи
с интенсивным внедрением компьютеров, созданием автоматизиро-
ванных рабочих мест и распределенных информационных систем.
Главная цель создания локальных сетей — повышение производи-
тельности труда за счет автоматизации всех форм деятельности работ-
ников железнодорожного транспорта.
Локальные сети относятся к классу распределенных систем обра-
ботки данных, объединяющих вычислительно-информационные сред-
ства отдельных подразделений, предприятий, информационно-вычис-
лительных центров дистанций и др., сосредоточенных на ограничен-
ной территории.
Локальные сети строятся на базе общей передающей среды, через
которую происходит обмен информацией между абонентами.
В большинстве существующих на железных дорогах локальных
сетей в качестве передающей среды используются симметричные ка-
бели связи (категории 3-5) или коаксиальные кабели, обеспечиваю-
щие скорость передачи информации 10... 100 Мбит/с. При скоростях
передачи выше 100 Мбит/с становится целесообразным использова-
ние ВОК и переход к ЛВОС. Потребность в таких сетях возникает в
8
местах обработки и хранения больших потоков информации, таких
как главный вычислительный центр МПС и дорожные информацион-
но-вычислительные центры. С созданием высокоскоростных желез-
нодорожных магистралей ЛВОС целесообразно оборудовать высоко-
скоростные пассажирские поезда.
Локальные вычислительные оптические сети являются удачным
итогом синтеза наиболее передовых информационных технологий,
поэтому новые перспективные сети целесообразно разрабатывать с
применением волоконной оптики.
С ВОЛС локальные вычислительные оптические сети роднит оди-
наковая передающая среда, но существенное отличие состоит в мас-
штабах, степени разветвленности и количестве оконечных устройств,
что не позволяет механически переносить в ЛВОС применяемые на
ВОЛС технические или иные решения.
Системы видеонаблюдения. В последние годы на железных доро-
гах постоянно ужесточаются требования, предъявляемые к надежно-
сти, безопасности и экономичности пассажирских и грузовых пере-
возок. Видеонаблюдение является одним из важнейших и рацио-
нальных способов удовлетворения этих требований.
Система видеонаблюдения включает три основных компонента:
пере-дающие видеокамеры, средства передачи видеосигналов и теле-
визионные мониторы, на которых можно наблюдать контролируемые
объекты.
Видеосигналы могут передаваться по отдельным волокнам ВОЛС
или в общем цифровом потоке цифровой волоконно-оптической си-
стемы передачи. Выбор одного из этих способов передачи информа-
ции зависит от удаленности контролируемого объекта.
При построении видеосистем с расстоянием передачи видеосигна-
лов в пределах до 100 км целесообразно использовать отдельные
волокна, в которых передачи видеосигналов реализуются технически
проще и несколько дешевле, чем при использовании оборудования
цифровых сетей связи. Одно оптическое волокно может быть исполь-
зовано для передачи нескольких видеоканалов или видеоканала и
сигналов от различных датчиков, установленных на объекте. При рас-
стояниях больше 100 км целесообразно использовать возможности
цифровой волоконно-оптической сети связи.
Для целей видеонаблюдения на железнодорожном транспорте в
большинстве случаев требуется передача видеосигналов от объектов
на расстояния, не превышающие 100 км. Такими объектами могут
быть мосты, тоннели, сортировочные горки, терминалы и др. В этом
9
случае комплекс оборудования системы видеонаблюдения должен
отвечать требованиям, предъявляемым к линиям специального назна-
чения. Для передачи видеоинформации по таким линиям не требуется
предварительной обработки данных в стандартных форматах, как не
требуется и специальных мер по синхронизации приемного и переда-
ющего оборудования.
Набор аппаратных компонентов системы видеонаблюдения в об-
щем виде представлен на рис. 1.1. Передающие видеокамеры черно-
белого или цветного изображения передают видеосигнал на передаю-
щее оборудование: мультиплексор с функциями выделения каналов
(при работе нескольких видеокамер) и электронно-оптический преоб-
разователь, обеспечивающий преобразование электрического сигнала
в оптический. В зависимости от типа оптического волокна и рассто-
яния до контролируемого объекта в качестве источника оптического
излучения может использоваться светоизлучающий диод или лазер.
На посту управления устанавливается приемное оборудова-
ние — демультиплексор, видеоматричный переключатель, устройство
для ввода текста и мониторы. Видеоматричный переключатель обес-
печивает выбор любого из всех доступных видеосигналов, а устрой-
ство для ввода текста позволяет накладывать на видеосигнал тексто-
вые пояснения, помогающие правильно оценить изображение.
Волоконно-оптические преобразователи (ВОП). Волоконно-оп-
тические преобразователи достаточно широко внедряются на зару-
бежных железных дорогах в последнее десятилетие. На их основе
Установка 1 Установка 2 Установка 3 Центральный пост
управления
Рис. 1.1. Основные компоненты системы видеонаблюдения:
1 — передающий полукомплект видеоматричным переключателем и устрой-
ством ввода текста; 1*— передающий полукомплект с функцией выделения
каналов; 2 — приемный полукомплект
10
создаются различные типы датчиков контроля и регистрации физи-
ческих воздействий (давления, температуры, механических напряже-
ний, электрического и магнитного полей и др.), а также системы
датчиков контроля и регистрации многих, одновременно действую-
щих, однородных и неоднородных величин. Такими датчиками обо-
рудуется подвижной состав (электровозы, высокоскоростные поез-
да), горки, терминальные площадки, тоннели, мосты, приборы
неразрушающего контроля и др. Область их применения на транспор-
те постоянно расширяется. Это связано с рядом преимуществ, прису-
щих ВОП, и общей концепцией интеграции различных средств воло-
конно-оптической связи на основе ВОЛС и ЛВОС.
Очевидным преимуществом ВОП по сравнению с другими типами
преобразователей является отсутствие электрического потенциала, что
устраняет проблемы электромагнитной совместимости и безопаснос-
ти. Оптическое волокно является чувствительным элементом ВОП и
представляет собой низкоинерционный датчик, различные физические
воздействия на который вызывают изменения параметров оптической
волны: интенсивности, фазы, поляризации, длины волны и спектраль-
ного уплотнения.
Высокая разрешающая способность ВОП, относительная простота,
низкая стоимость и универсальность способствуют их внедрению на
железнодорожном транспорте, особенно при создании цифровых
волоконно-оптических сетей связи.
С помощью нескольких интерфейсов ВОП могут взаимодейство-
вать с цифровыми системами передачи информации и обеспечивают
простоту мультиплексирования, демультиплексирования оптических
сигналов. Это позволяет осуществлять централизованный сбор ин-
формации о состоянии объектов, создавать интегральные системы
видеонаблюдения, контроля и регистрации параметров удаленных
объектов, устройств и систем, работающих по волокнам ЛВОС и
ВОЛС.
Различают два типа ВОП: с внешней и внутренней модуляцией
параметров светового потока.
Принцип действия первых основан на том, что в оптическое во-
локно введена нерегулярность в виде разрыва, в результате чего
световой поток, покидающий ОВ, модулируется в пространстве вне
его, а затем собирается и отводится этим же или другим ОВ. Изме-
нения параметров самого ОВ не происходит.
ВОП второго типа основаны на том, что измеряемая величина через фи-
зическое воздействие на ОВ приводит к изменению его оптических парамет-
11
ров. Этот тип ВОП наиболее часто используется в зарубежных железнодо-
рожных системах и устройствах. В них применяются как одномодовые (с
реализацией задержки фазы излучений и фазовых эффектов), так и много-
модовые ОВ с реализацией изменения интенсивности потока излучения. По
этому признаку ВОП делятся на преобразователи с модуляцией фазы и с
модуляцией интенсивности. Оба типа ВОП обладают высокой чувствитель-
ностью и достаточно широким диапазоном измеряемых воздействий.
Среди них выделяются преобразователи на микроизгибах, имею-
щие простую конструкцию, высокую чувствительность и низкую
стоимость. Этот тип преобразователей широко используется на же-
лезных дорогах Японии, Германии, Франции. Структурная схема та-
кого преобразователя показана на рис. 1.2. Чувствительным оптичес-
ким элементом в нем является отрезок ОВ, зажатый между двумя
профилированными пластинами. Внешнее физическое воздействие
(давление, температура, ускорение, магнитное и электрическое поле)
преобразуется в силу, которая прижимает верхнюю пластину к ниж-
ней и деформирует ОВ. В результате входное излучение от лазерного
диода (ЛД) частично вытекает через микроизгибы. Для повышения
чувствительности в ВОП используются селекторы мод.
Преобразователи на микроизгибах позволяют измерять давление в
диапазоне 0...40 кПа, перемещение в пределах 25 мкм...2 мм, силу
1...10 Н; имеют порог чувствительности по давлению 95 дБ относи-
тельно 1 мкПа, по перемещению 0,1...0,5 нм, по силе 1-Ю’3 Н и
выдерживают несколько миллионов циклов нагружений.
Применение оптических волокон, кабелей и ВОП в системах и
устройствах железнодорожного транспорта будет возрастать в связи
с их высокой надежностью, техническими возможностями и постоян-
но снижающейся стоимостью изготовления. В первую очередь это
относится к ВОК, стоимость которых сегодня сопоставима, а для
отечественных кабелей, ниже стоимости симметричных кабелей
связи.
Рис. 1.2. Преобразователь на микроизгибах оптического волокна
с одной подвижной пластиной:
1— оптическое волокно; 2 — селектор мод; ЛД — лазерный диод;
ФД — фотодиод
12
1.2. Физико-химические свойства
и производство оптических волокон
Возможность применения стекла, как проводника оптического
излучения, зависит от его физико-химических свойств и стабильно-
сти их обеспечения в процессе производства и эксплуатации воло-
конно-оптических кабелей.
Практический интерес в использовании такой среды передачи как стек-
ло заключается в том, что оптическое излучение распространяется внутри
него и не подвергается воздействию внешних электромагнитных полей.
Таким образом, стеклянный проводник представляет собой «зак-
рытую» направляющую систему в отличие от медных жил симмет-
ричных кабелей связи. Последние образуют открытую направляю-
щую систему, в которой электромагнитное поле распространя-
ется между жилами и подвержено влиянию внешних элек-
тромагнитных полей. К термину «закрытая» система применительно к
оптическому волокну следует подходить с определенной долей ус-
ловности. Причина в том, что при значительном изгибе волокна часть
оптического излучения через оболочку выходит наружу. Эта особен-
ность используется для контроля целостности волокон.
Какое же стекло используется для производства оптических
волокон?
В результате широких исследований различных природных и ис-
кусственных материалов кварцевое стекло выбрано в качестве среды
передачи информационных сигналов благодаря комплексу таких
свойств как прозрачность, высокая прочность, вязкость, высокая
химическая стойкость и другие. В свою очередь создание высоко-
производительной, экономически выгодной промышленной техноло-
гии изготовления кварцевого волокна, полностью отвечающего со-
временным требованиям техники связи, определило успех широкого
практического внедрения волоконно-оптических систем передачи.
Кварцевое стекло представляет собой некристаллический затвер-
девший расплав из диоксида кремния SiO2, который является твер-
дым веществом благодаря своей высокой вязкости, с одинаковыми
физическими свойствами независимо от направления. Этим оно силь-
но отличается от природного, кристаллического кварца (горного хру-
сталя), оптические и механические свойства которого изменяются в
зависимости от направления осей кристалла.
Благодаря чрезвычайно малому коэффициенту линейного теплово-
го расширения кварцевое стекло очень устойчиво к изменениям тем-
пературы.
13
В табл. 1.1 приведены некоторые физические характеристики квар-
цевого стекла и меди. Как видно из приведенных данных кварцевое
стекло не уступает такому традиционному проводнику как медь, а по
некоторым характеристикам превосходит его.
Кварцевое стекло не имеет точки плавления, напротив, при более
высоких температурах оно становится все более мягким, вязкость его
снижается и оно испаряется из этого состояния, минуя жидкую фазу.
Поэтому вязкость является важной характеристикой для производ-
ства кварцевого стекла и его обработки. В кварцевом стекле вязкость
уменьшается по мере роста температуры (рис. 1.3) и при его изготов-
лении требуется точно выдерживать температурный режим в фазе
перехода из упругого вязкого состояния переохлажденного расплава
к хрупкому состоянию стекла.
Технология производства кварцевого оптического волокна. Ка-
чество оптического волокна, его надежность и стабильность характе-
ристик в процессе эксплуатации в значительной степени определяется
технологией изготовления волокна, которая состоит из двух этапов.
Первый этап — изготовление заготовок, при котором формируется
структура волокна, второй — вытягивание волокна из заготовки и
нанесение защитных покрытий.
Таблица 1.1. Физические характеристики кварцевого стекла
и меди
Наименование характеристики Единица измерения Значение
Кварцевое стекло Медь (мягкая отожженная)
ПлотностьУ при t = 20° С г/см3 2,20 8,89
Динамический модуль Юнга Е (модуль продольной упругости) при t = 20°С Н/мм2 72900 74000
Предел прочности при растяже- нии кварцевого волокна и мед- ной проволоки диаметром 0,125 мм Н/мм2 345 210
Коэффициент линейного тепло- вого расширения а А-1 5,540'7 16,4 при t=2CPC
Точка плавления по Цельсию град. Не имеет 1083,0± 0,1
14
Основой производства заготовок является процесс парофазного
осаждения — послойное формирование структуры заготовки путем
осаждения частиц, полученных в результате реакции гидролиза паров
хлоридов кремния, германия и других компонентов, за которым сле-
дует процесс спекания и получения стекла. Такой непрямой способ
производства заготовок посредством окисления легколетучего со-
единения тетрахлорида кремния SiCl4 с выделением газообразного
хлора выбран потому, что в отличие от природного диоксида кремния
SiO2 это соединение может быть получено в очень чистом виде.
Введение дополнительных компонентов при производстве загото-
вок позволяет регулировать показатель преломления стекла для сер-
дцевины волокна.
Наибольшее распространение получили три метода изготовления
заготовок, рис. 1.4: метод осаждения слоев внутри кварцевой трубки,
разработанный фирмой AT&T Bell Laboratories, рис. 1.4, а; метод
наружного парового осаждения, разработанный фирмой Corning
Glass, рис. 1.4, б; метод осевого парофазного осаждения, разрабо-
танный и используемый японскими фирмами, рис. 1.4, в.
В первом методе используется кварцевая опорная трубка, в кото-
рую подаются хлориды компонентов и кислород, и продукты реакции
осаждаются в виде пористых слоев на стенках трубки, где они спе-
каются, образуя тонкие слои стекла. Горелка нагревает вращающую-
Рйс. 1.3. Зависимость вязкости кварцевого стекла от температуры
15
ся кварцевую трубку равномерно по всей длине, что обеспечивает
формирование сначала оболочки на стенках опорной трубки, а затем
сердцевины. На этом этапе происходит так называемое «схлопыва-
ние», в результате образуется твердая стеклянная заготовка, которая
затем вытягивается в волокно.
По методу наружного парофазного осаждения частицы осаждают-
ся на вращающемся стержне в пламени горелки. Первые слои осаж-
дающихся частиц образуют сердцевину, затем осаждаются слои обо-
лочки и стержень удаляется.
а) Опорная трубка из
Пары StCI* кварцевого стекла
GeCI^Oi a
б)
Кольцевая
горелка
Слои стекла
Стержень ]
Пористая
заготовка
Горелка
Печь
Пористая
заготовка
Пары SiC!*
(ЗеС1фОги др.
Стеклянная
заготовка
в)
_) Стеклянная
—заслонка
/Печь
\ Пористая
заслонка
ПарыЗКЗф
<ЗеС14,О2идр.
Рис. 1.4. Основные методы изготовления заготовок оптического
волокна:
a — метод осаждения слоев внутри кварцевой трубки; б — метод наружного
парового осаждения; в — метод осевого парофазного осаждения
16
Общим этапом производства заготовок в рассмотренных методах
является этап спекания слоев в твердую стеклянную заготовку.
Метод осевого парофазного осаждения предусматривает осевое
осаждение на торец вращающейся насадки паров частиц различных
компонентов, которые одновременно образуют сердцевину и, за счет
дополнительной боковой горелки, оболочки.
Вытягивание оптического волокна и нанесение защитных покры-
тий является этапом, от которого зависят оптические, механические,
геометрические параметры волокна. Этот процесс является общим и
не зависит от рассмотренных выше методов.
Схема установки для вытягивания волокна показана на рис. 1.5. За-
готовка поступает в высокотемпературную печь, где при температуре
около 2000°С нижняя часть заготовки находится в расплавленном со-
стоянии. Затем, подвергаясь быстрому охлаждению, расплав переходит
в стеклообразное состояние. Дефекты, которые возникают в волокне,
непосредственно связаны со скоростью вытягивания волокна и темпера-
турой в зоне его стеклообразования.
Сформированное таким образом волокно поступает в фильеру, где
на него наносятся полимерные покрытия, обычно два слоя, различаю-
щиеся модулем упругости. Тяго-
вое устройство обеспечивает вы-
тягивание волокна.
Для контроля параметров про-
цесса вытягивания волокна обыч-
но используется автоматизиро-
ванная измерительная система,
состоящая из бесконтактных из-
мерителей диаметра волокна,
скорости подачи заготовки и вы-
тягивания волокна, температуры
нагревательных элементов, натя-
жения волокна и управляющего
устройства (компьютера).
Для изготовления оптических
волокон используются также
многокомпонентные стекла, такие
как щелочно-свинцово-силикат-
ное стекло, натриево-боросили-
катное стекло и полимерные стек-
ла. Все они обладают меньшей
Рис. 1.5. Схема установки для
вытягивания оптического волокна
17
прозрачностью (большим затуханием), чем кварцевые стекла и имеют
специальную область применения, например, для создания ЛВОС.
Несмотря на высокоэффективную технологию производства опти-
ческих волокон, она постоянно совершенствуется с целью уменьше-
ния концентрации примесей и наличия ионов ОН, что позволяет по-
высить долговечность ВОК и надежность эксплуатации ВОЛС в
течение длительного времени (не менее 25 лет), часто в экстремаль-
ных условиях.
Причина состоит в том, что старение ВОК связано со скоростью
развития микротрещин в оптическом волокне под воздействием
растягивающих нагрузок в местах инородных включений или попа-
дания влаги при повреждении оболочки кабеля. Поэтому для
повышения срока службы ВОЛС важно соблюдать не только тех-
нологию прокладки/подвески и монтажа ВОК, но и совершен-
ствовать технологию изготовления оптических волокон и кабелей.
1.3. Структурная схема передачи
информации по оптическим кабелям
Для передачи информации по ВОК используются волоконно-опти-
ческие системы передачи информации плезиохронной (PDH —
Pleziochronous Digital Hierarchy) и синхронной цифровой иерархии
(SDH — Synchronous Digital Hierarchy).
Первые состоят из типового оборудования канало- и группообра-
зования, единого для всех цифровых систем передачи (ЦСП), PDH-
иерархии, а также оборудования цифрового волоконно-оптического
линейного тракта, обеспечивающего передачу цифровых сигналов от
одной оконечной станции до другой.
Типовое оборудование канало- и группообразования обес-
печивает формирование первичного группового сигнала, соответству-
ющего тридцати каналам (со скоростью передачи 2,048 Мбит/с), вто-
ричного группового сигнала, соответствующего 120 телефонным
каналам (8,448 Мбит/с), третичного группового сигнала, соответству-
ющего 480 телефонным каналам (34,368 Мбит/с), четвертичного
группового сигнала, соответствующего 1920 телефонным каналам
(139,264 Мбит/с).
Появление ВОСП 57)Я-иерархии во многом обусловлено освое-
нием современных ВОК, суммарная скорость передачи цифровых
сигналов в которых составляет тысячи Гбит/с. Для переноса инфор-
мации в 57Ш-системах используются синхронные транспортные
18
модули (STM — Synchronous Transport Modul): STM-1, STM-4,
STM-16 и STM-64.
Нагрузкой для STM-1 являются потоки информации цифровых
систем передачи PDH-иерархии, а для STM-4 и STM-16 кроме них
также и сигналы STM-1: электрические и оптические. Для STM-64
нагрузкой являются электрические и оптические сигналы более низ-
ких уровней иерархии SDH систем: STM-16, STM-4, STM-1.
В состав оборудования линейного тракта ВОСП любой иерархии
входят: оборудование тракта на оконечных и промежуточных станци-
ях, линейные регенераторы (ЛР), волоконно-оптические усилители
(ВОУ), см. п. 2.4, соединенные между собой волоконно-оптическими
линиями связи.
В SDH-системах оконечное и промежуточное оборудование ли-
нейного тракта принято называть терминальными мультиплексорами
(ТМ) и мультиплексорами ввода-вывода (МВВ), осуществляющими
ввод-вывод цифровых потоков и трактов.
Основными элементами линейного тракта ВОСП являются участки
регенерации — участки между выходами оборудования тракта, со-
единенными ВОЛС: ТМ-ЛР, ЛР-МВВ, МВВ-МВВ, ЛР-ЛР, МВВ-ТМ,
ТМ-ВОУ, ВОУ-МВВ и т.д.
Линейные регенераторы ВОСП осуществляют оптоэлектронное
преобразование оптического сигнала в электрический, затем восста-
новление амплитуды, формы и временных положений импульсов
цифрового сигнала — регенерацию и далее его электронно-оптичес-
кое преобразование в оптический сигнал.
В отличие от линейных регенераторов, ВОУ осуществляют только уси-
ление оптического сигнала. По этому признаку ВОУ часто относят к пас-
сивным элементам ВОЛС. Их применение позволяет существенно увели-
чить длину участков регенерации, не прибегая к помощи ЛР. Заметим, что
ЛР систем SDH—это МВВ без специальных блоков, обеспечивающих
ввод-вывод цифровых или оптических сигналов.
На рис. 1.6 показан пример организации линейного тракта ВОСП
SDH.
Современные ВОСП строятся по однокабельной (реже двухка-
бельной), двухволоконной (при резервировании волокон — четырех-
волоконной), однополосной схеме. Поэтому передача и прием опти-
ческих сигналов осуществляется на одной длине волны 11 в двух
(четырех) волокнах одного и того же или двух кабелей. Недостатком
данной схемы построения является низкий коэффициент использова-
ния пропускной способности волокон.
19
Рис. 1.6. Оборудование линейного тракта ВОСП
Рис. 1.7. Оборудование линейного тракта ВОСП с уплотнением по длинам волн
Для повышения пропускной способности волокон могут приме-
няться ВОСТ! с уплотнением по длинам волн, рис. 1.7. Они строятся
по однокабельной, двухволоконной, многополосной схеме. На пере-
дающей станции сигналы от ЦСП поступают в оборудование сопря-
жения (ОС) и далее на оптические передатчики (ОП), излучающие
оптические сигналы с длинами волн 1(...1я С помощью волнового
мультиплексора (МП) (см. п. 2.3) выполняется ввод оптических не-
сущих в волокно в тракт передачи. В тракте приема осуществляется
их разделение с помощью волнового демультиплексора (ДМ).
Способ уплотнения по длинам волн является наиболее перспектив-
ным.
В настоящее время используют волоконно-оптические кабели с
многомодовыми градиентами или одномодовыми волокнами, разли-
чающимися характером изменения показателя преломления по сече-
нию волокна, и, как следствие, характером распространения оптичес-
кого излучения по волокну. В магистральных линиях передачи
используют кабель с одномодовыми волокнами, обеспечивающими
большие длины регенерационных участков и высокую пропускную
способность.
Энергетической характеристикой аппаратуры цифрового волоконно-
оптического линейного тракта является энергетический потенциал (W),
определяемый как разность между уровнями средней мощности оптичес-
кого сигнала на выходе передающего (Р^ и минимально допустимым на
входе приемного оптоэлектронных модулей (Р^ при заданном значении
коэффициента ошибок Каи (обычно при = 1.10'10). Значения величин
энергетических потенциалов аппаратуры линейного тракта в зависимости
от скорости передачи сигналов и используемых типов излучателей нахо-
дятся в пределах 20-50 дБ.
Оптические сигналы, передаваемые по волокну, претерпевают очень
малое затухание. Характерной особенностью потерь в волокне является
то, что они носят избирательный характер, то есть на некоторых длинах
волны затухание волокон имеет минимумы, которые называют «окнами
прозрачности». В настоящее время используются три «окна прозрачнос-
ти» с длинами волн — 0,85 мкм; 1,3 мкм; 1,55 мкм.
Использование диапазона 0,85 мкм обеспечивает возможность
получения предельных значений затухания в градиентном волоконно-
оптическом кабеле порядка 3 дБ/км.
Использование диапазона 1,3 мкм позволяет уменьшить величину
затухания в волоконно-оптическом кабеле до 1 дБ/км в градиентном
волокне и до 0,5 дБ/км в одномодовом волокне.
21
Диапазон 1,55 мкм позволяет получить затухание в одномодовом
волокне до 0,2 дБ/км.
Ведутся интенсивные исследование по освоению диапазонов длин
волн 2-4 мкм, где ожидается достижение значения затухания в одно-
модовом волокне до нескольких тысячных долей дБ/км.
Для каждого линейного тракта должен быть обеспечен энергети-
ческий запас 6 дБ, расходуемый на компенсацию возможных ухуд-
шений характеристик волокна и оптоэлектронных модулей в процессе
эксплуатации, а также на дополнительные стыки, появляющиеся при
ремонте кабеля.
С учетом величин энергетического запаса и потерь в волокне, диспер-
сионных искажений, связанных с особенностями распространения опти-
ческого сигнала в волокне, потерь на стыках при сращивании строитель-
ных длин волоконно-оптических кабелей при вводе излучения от
излучателя в волокно и из волокна к приемному оптоэлектронному моду-
лю в волоконно-оптических линейных трактах можно обеспечить при мак-
симально возможных значениях энергетических потенциалов следующие
предельные длины регенерационных участков:
при 1 = 0,85 мкм до 12 км;
при 1 = 1,3 мкм до 30 км для градиентного волоконно-оптического
кабеля и до 45 км для одномодового;
при 1 = 1,55 мкм до 100 км для одномодового волоконно-оптичес-
кого кабеля.
Предполагается, что освоение перспективных диапазонов длин
волн 2-4 мкм позволит довести длину регенерационного участка до
1000 км (для сравнения — длины регенерационных участков цифро-
вых систем передачи, использующих симметричные и коаксиальные
кабели, составляют 2-4 км, длины усилительных участков аналого-
вых систем передачи — не более 20 км).
Совокупность последовательно соединенных оптических волокон
линейного и станционного кабелей, а также оборудования сопряже-
ния, включающего в себя разъемные и неразъемные оптические со-
единители, линейные и станционные соединительные устройства, об-
разует элементарный кабельный участок (ЭКУ).
Упрощенная схема ЭКУ одного из направлений передачи пред-
ставлена на рис. 1.8. Модулированное оптическое излучение в одно-
волоконный станционный кабель вводится через специальный опти-
ческий соединитель. Оптическое волокно подключается к фотоприем-
ному устройству аналогично. Потери в оптических разъемных соеди-
нителях могут составлять до 1 дБ.
22
Рис. 1.8. Упрощенная схема элементарного кабельного участка одного из направлений передачи:
ОС — оконечная станция ; ВОК — волоконно-оптический кабель
Одноволоконные станционные оптические кабели соединяются с
линейным кабелем методом сварки, что уменьшает потери мощности.
Сварные соединения размещаются и фиксируются в специальных ус-
тройствах стыка станционных и линейного кабелей. Эти устройства
обеспечивают защиту соединений и каждого волокна от повреждений
и хранение технологического запаса, необходимого для выполнения
операций по сварке.
Соединение линейного кабеля также выполняется методом свар-
ки. Соединения располагаются в герметизированных муфтах. Вно-
симые потери в неразъемных сварных соединениях не должны
превышать 0,4 дБ для многомодовых волокон и 0,2 дБ для одномо-
довых.
Длина ЭКУ € в основном зависит от параметров аппаратурно-
кабельного комплекса волоконно-оптической системы передачи на
участке регенерации. Зависимость определяется типом применяемого
излучателя, длиной волны X и уровнем средней мощности оптическо-
го сигнала на его выходе Р^, шириной спектра оптического излуче-
ния ДХ; суммарным затуханием в оптических волоконных кабелях,
включая собственные потери в оптическом волокне; потерями при
вводе (Л,) и выводе (Л2) оптической энергии в оптических разъем-
ных соединителях на передаче и приеме, а также в неразъемных
сварных соединениях линейного кабеля; потерями в сварных соеди-
нениях волокон линейного и станционного кабелей (AJ; типом фото-
приемного устройства; минимально допустимым уровнем оптическо-
го сигнала на его входе Р^п, который определяется при коэффициенте
ошибок в тракте, равном 1.10-10.
Поскольку параметры применяемых излучателей и фотоприемных
устройств не являются абсолютно стабильными, при проектировании
волоконно-оптических систем передачи для компенсации и деграда-
ции оптических устройств аппаратуры предусматривается запас уров-
ня оптического сигнала Ао, равный 3 дБ. Такой же запас уровня
сигнала Ак предусматривается и для случаев возможного увеличения
затухания оптической цепи регенерационного участка вследствие
влияния факторов окружающей среды, появления дополнительных
сращиваний, увеличения длин кабелей при проведении ремонтных
работ.
Максимальная длина ЭКУ (км) определяется по формуле:
. W - А,-А?~пАг~ А-А.,
а
24
где а — коэффициент затухания оптических волокон (дБ/км) на рабо-
чей длине волны ВОСП;
п — число сварных соединений в оптической цепи регенерацион-
ного участка;
Ас — среднее значение потерь в сварных соединениях на ЭКУ (дБ)
на рабочей длине волны ВОСП.
Совокупность ЭКУ образует ВОЛС, для создания которой применяют-
ся различные типы кабелей, кабельная арматура, оборудование и линей-
ные сооружения. На рис. 1.9 показана структура волоконно-оптических
линий связи с использованием различных типов ВОК, оборудования и
сооружений, характеризующая разнообразие способов организации
ВОЛС и используемых для этого технических средств.
1.4. Кабельная арматура, оборудование
и сооружения
В состав волоконно-оптических линий связи входят: линейные
(магистральные, зоновые, городские) и станционные кабели; кабель-
ная арматура и оборудование; кабельные сооружения.
Некоторые ВОЛС не содержат станционных кабелей. Например,
при прокладке ВОЛС в тоннелях метрополитена используются кабели
с негорючей оболочкой, что позволяет непосредственно вводить их в
помещения, где установлено сетевое оборудование. Подробно типы
ВОК и их характеристики рассматриваются в главе 3.
К кабельной арматуре относятся: муфты и организаторы (всех
типов), стойки, применяемые при подвеске кабелей по крышам зда-
ний; различного рода кронштейны для крепления кабелей при их
прокладке в тоннелях и по стенам зданий, для подвески на опорах
контактной сети железных дорог, высоковольтно-сигнальных линий
автоблокировки, линий электропередач (ЛЭП); промежуточные и
оконечные анкеровки; поддерживающие спиральные и другие зажи-
мы; ролики, используемые при подвеске ВОК; реперные столбики
для обозначения трассы и мест установки муфт подземных ВОЛС.
Муфты и организаторы. При прокладке-подвеске и монтаже
ВОЛС необходимо соединять (сращивать) друг с другом отдельные
строительные длины кабеля, выполнять разветвления кабеля большей
емкости на один или несколько кабелей меньшей емкости. Поэтому
в местах сращивания и разветвления кабелей устанавливают соедини-
тельные муфты, которые разделяются на проходные и разветвитель-
ные. Муфты обеспечивают:
25
О\
Грозозащитный трос с
оптическими волокнами
Кабель для подвески
на опорах
Кабель для подвески МВТТНАЯ
на опорах с несущим КОММУТАЦИОННАЯ
элементом СТАНЦИЯ
ПОДСТАНЦИЯ
Излучающий
Кабель для прокладки
в кабельной канализации
Соедини-
Соедини-
тельная
муфта
Кабал-
идя
канали-
зация
J9 дюймовый
'стагив
Соедини-1 Соедини-
тельная JL тельная
муфта [Л муфта
тельная _____________
мУФта неметаллический
кабель для прок-
ладки в обельной
канализации
Радиочастотный
[кабель
ЦЕНТРАЛЬНАЯ
КОММУТАЦИОННАЯ
СТАНЦИЯ
Раслреде/мгельная
панель
Смотровой
колодец
Соединительная
муфта
Кабель для
прокладки
в грунте
I Совдини-
1 тельная
Распределительные
кабели
Терминал
оптической линии
Распределительные
Кабель, проложенный
бестраншейным
способом вдоль дороги
Кабель для
прокладки в грунте
Базовая станция___
Распредемгтельные
кабели
Статна для аппаратуры
Терминал оптической
линии
Шкаф кроссовых
соединений
Рвспределитетмяе
кабели
Модуль для сращиваемых
световодов
Кабель для
прокладки
в кабельной
канализации
Кабель для прокладки
в кабельной канализации
Кабель для L--------
прокладки в грунте
Шкаф кроссовых
соединений
Разъемно-коммута-
ционный щит \
Мсщульдлясра-\
щиеаемых свето- \
водов X/
Кабель для уклад- \
юг запасной длины '
\ кабеля v
ГОРОДСКАЯ
КОММУТАЦИОННАЯ
СТАНЦИЯ
Телефонный
раслредали-
тельный
шкаф
Соедиыпельнея
'камера
Лэка
ST Кабель для
IHII грокпям
Тц в грунте
IHIIH
IHIII
НИИ,
Распредели-
тельные
кабели
Статна для
' аппаратуры
‘Терминал
оптической
оси
Кабель для
прокладки
подводой
, Смотровой
Смотровой толедец
гаяадец Соединительная Соаоини-
— 'муфта тельная
муфта
} Кабель для прокладки в
\ кабельной канализации
Кабель для прокладки
в грунте
Кабель для прокладки
в кабельной канализации
Кабель для прокладки
в грунте
АДМИНИСТРАТИВНОЕ
ЗДАНИЕ
Кабели локальной сети
Рис. 1.9. Структура волоконно-оптических линий связи при различных способах прокладки кабелей
— защиту сростков волокон и технологического запаса волокна,
размещаемых в одном или нескольких организаторах волокон от
повреждений, влаги, вибрации и др.;
— восстановление целостности оболочки кабеля, в том числе
непрерывности силовых элементов, и обеспечение заземления в слу-
чае необходимости.
Выбор конструкции муфты определяется условиями эксплуатации
ВОК: подвеска на опорах ЛЭП, контактной сети или высоковольтно-
сигнальных линий автоблокировки; прокладка в грунте; в кабельной
канализации; в желобах или тоннелях; внутри зданий.
Основные факторы, влияющие на выбор конструкции муфты, при-
ведены в табл. 1.2.
Частота установки муфт зависит от строительной длины кабелей,
которая может изменяться от сотен метров до нескольких километров,
и особых условий прокладки. Например, невозможностью протянуть
очень длинный отрезок кабеля через кабельную канализацию. Потреб-
ность в установке муфты возникает также при ремонтах поврежденно-
го кабеля. При проектировании ВОЛС обычно стремятся к уменьше-
нию количества муфт, используя максимально допустимые в данных
условиях строительные длины кабеля.
Основой муфты является полимерный или металлический корпус
в форме цилиндра или параллелепипеда, в котором размещаются
организаторы волокон и механические фиксаторы кабелей. В конст-
рукции муфты предусматриваются элементы герметизации внутренне-
го объема, а также обеспечения непрерывности броневых и упрочня-
ющих элементов кабеля. Примеры конструкций муфт приведены на
рис. 1.10.
Рабочий температурный диапазон муфт с металлическим корпу-
сом составляет от -40 до +50°С, муфты с полимерным корпусом
могут эксплуатироваться при температурах от -60 до +50°С. Для
монтажа и герметизации муфт используются заливочные компаунды,
пасты, клеи, герметизирующие ленты и специальные термоусаживае-
мые материалы.
Организаторы волокон предназначены для обеспечения:
— соединения волокон кабелей в заранее установленном порядке;
— минимального увеличения затухания волокон в месте их соеди-
нения;
— повторного соединения волокон при изменении схемы связи;
— слабого натяжения волокон для возможности их юстировки и
повторного соединения.
27
Таблица 1.2. Факторы, учитываемые при выборе конструкции
муфты
Влияющие факторы Условия прокладки ВОК
Воздуш- ная под- веска Внут- ри поме- ще- ний Непос- редст- венно в грунте В кабель- ной кана- лизации, тоннеле В пласт- массо- вых камерах
Изгиб А А А А А
Коррозия В В В В В
Ползучесть (осевое про-
тягивание) А NA А А А
Раздавливание NA NA А А В
Удар В В А А А
Удар молнии А А В В В
Ультрафиолетовое
излучение (солнечное) А в NA NA NA
Температура А А А А А
Кручение А А А А А
Вибрация А А А В В
Просачивание воды NA NA В В В
Влага А А А А А
А — фактор, который должен учитываться;
В — фактор, который должен учитываться при необходимости;
NA — не применяется.
При выборе типа организатора учитываются следующие факторы:
— количество сростков волокон;
— типы сростков волокон — механический (разъемный), свар-
ной, имеющий разные диаметры, длины и средства монтажа;
— радиус изгиба — рекомендуется радиус изгиба волокна не
меньше 30 мм, что позволяет обеспечить остаточную деформацию
волокна, не превышающую 0,2%;
— хранение свободного конца волокна или волокна в трубке-
организатор должен допускать возможность хранения свободного
волокна определенной длины или волокна, свободно уложенного в
трубке, для юстировки и последующего соединения;
— идентификация волокон — средство различения волокон и воз-
можность их соединения в заранее определенном порядке;
— возможность повторного вскрытия муфты;
— коррозия.
28
Рис. 1.10. Примеры конструкций муфт
Все организаторы имеют в своем составе одну или несколько плат
или съемных блоков, на которых предусмотрены средства для разме-
щения сростков волокон и хранения запаса волокна.
Основные различия между организаторами состоят в методе полу-
чения доступа к плате или съемному блоку для возможности повтор-
ного вскрытия.
Различают следующие типы организаторов: барабан с боковыми
лепестками; поддон с загнутыми вверх и внутрь краями; несколько
разводных колец. Примеры организаторов, используемых в муфтах,
приведены на рис. 1.11. При большом количестве соединителей (свы-
ше 8) применяется несколько организаторов. Организаторы крепятся
в корпусе муфты на защелках, винтах или шпильках, с помощью
липкой ленты или резиновой стяжки.
Организаторы используются также в коммутационно-распредели-
тельных устройствах.
Кронштейны, анкеровки, зажимы. Для крепления кабелей при
их подвеске, прокладке по стенам зданий и т.п. используются различ-
ные типы кронштейнов, анкеровок и зажимов. На рис. 1.12 приведе-
29
ОРГАНИЗАТОР
ф Организатор
Рис. 1.11. Примеры конструкций организаторов
30
Узел анкеровки на опоре автоблокировки с установкой муфты
Рис. 1.12. Пример
кабельной арматуры для
подвески ВОК на опорах
контактной сети и
автоблокировки
31
ны примеры кабельной арматуры, используемой при подвеске ВОК
на опорах контактной сети железных дорог и высоковольтно-сигналь-
ных линий автоблокировки. Спиральная и другие типы анкеровок
должны обеспечивать сохранность и эксплуатационную надежность
ВОК в зоне подвески и не вызывать ухудшения их конструктивных
элементов или разгерметизации оболочки.
К оборудованию ВОЛС относятся оптические распределительные
и коммутационные устройства: распределительные коробки, панели,
шкафы, кабельросты, оптические кроссовые устройства. Расшивка
оптических волокон линейных кабелей и их соединение с сетевым
оборудованием называется оконцеванием и может быть выполнена
тремя различными способами, (рис. 1.13). Для осуществления рас-
шивки и соединения — коммутации оптических волокон использует-
ся специальное оборудование. Это оборудование обеспечивает:
— надежную защиту волокон от механических повреждений;
а) Распределительная
панель
Соединитель
Оптический шнур (putch card)
или оконцованный
станционный ВОК
Переходные розетки
б) Распределительная панель,
совмещенная со сплайсами
Сплайс-панель
Линейный
ВОК
Притерминированная
распределительная панель
Станционный ВОК
Рис. 1.13. Способы оконцевания волокон линейного кабеля:
а — непосредственное оконцевание; б — оконцевание через сварку
с pig-tail-ами; в — оконцевание через сварку с волокнами станционного ВОК
32
— возможность закрепления концов кабеля;
— удобство размещения технологического запаса волокна с со-
блюдением заданного радиуса изгиба;
— создание простого и удобного доступа к соединениям (сплай-
сам) волокон, розеткам и коннекторам разъемных соединителей во
время ремонтных и профилактических работ;
— обеспечение удобства подключения коннекторов к розеткам
разъемных оптических соединителей;
— хорошие массогабаритные показатели в сочетании с большой
емкостью и высокой плотностью оптических портов.
Настенные оптические распределительные коробки исполь-
зуются для разделки и соединения линейного кабеля со станционным
кабелем при построении оптических узлов с небольшим количеством
волокон. Пример разделки оптических волокон внутри распредели-
тельной коробки показан на рис. 1.14. Оптические волокна линейного
кабеля свариваются с волокнами небольшой длины (до 1 м) оконцо-
ванными соединителями с одной стороны. Эти волокна принято назы-
вать пигтейлами (pig-tail). Место сварки защищается термоусаживаю-
щейся защитной гильзой. Технологические запасы волокна и
защитные гильзы укладываются во внутреннем организаторе (соеди-
нительной сплайс-пластине). Распределительные коробки выполняют
функции разветвительной муфты или кросса от линейного кабеля к
станционным кабелям, проложенным внутри здания.
Оптические распределительные панели крепятся в стойку (реже
на стену). Стоечный вариант дает больше преимуществ, когда при-
емопередающее оборудование ВОСП находится в этой же стойке.
Панели обеспечивают оконцовку линейных кабелей, защиту сварных
соединений и хранение технологических запасов волокон, хранение
Рис. 1.14. Пример разделки оптических волокон
внутрираспределительной коробки:
1 — линейный кабель; 2 — гермоввод для крепления
кабеля; 3 — разделанные волокна линейного кабеля;
4 — корпус коробки; 5 — сплайс-пластина; 6 —
термоусаживающаяся защитная гильза; 7— место
сварки; 8 — винт для крепления на стену; 9 — волок-
но pig-tail -а; 10— коннектор pig-tail -а; 11 — опти-
ческая розетка
33
оптических шнуров (патчкордов), кроссировку волокон. Внешний
вид панелей фирмы ADC показан на рис. 1.15. Панели обеспечивают
возможность монтажа от 8 до 144 волокон. Обычно каждая панель
комплектуется полностью или частично пигтейлами заводского про-
изводства с различными типами оптических разъемов, розетками и
сплайс-пластинами.
Оптические распределительные шкафы обеспечивают оконцовку
одного или нескольких линейных кабелей. Шкафы отличаются от ко-
робок большими размерами и значительно большей емкостью воло-
кон, допускают установку на пол и крепление к стене. На рис. 1.16
показан один из вариантов конструкции распределительного щита.
Шкафы отличаются от распределительных коробок и панелей воз-
можностью установления как взаимонаправленного, так и кроссово-
го соединений оптических волокон.
Рис. 1.15. Внешний вид панели
фирмы ADC
Рис. 1.16. Конструкция
распределительного щита
фирмы ADC
Первое характеризуется тем,
что волокна линейного кабеля
разделываются на задней панели
устройства, а оптические шнуры,
идущие от сетевого оборудова-
ния, подключаются к ним через
переднюю панель устройства.
Такое подключение (intercon-
nect) характерно для распре-
делительных коробок и панелей.
Кроссовое подключение ха-
рактерно тем, что оптические
волокна линейных или станци-
онных кабелей, а также опти-
ческие шнуры от сетевого обо-
рудования разделываются на
задней панели устройства,
а коммутация (кросс-коммута-
ция) окончаний этих волокон
осуществляется на передней па-
нели при помощи коммутаци-
онных шнуров. Такое подклю-
чение используется в опти-
ческих кроссовых устройствах.
Оптические кроссовые
устройства используются при
34
построении оптических узлов с большим количеством волокон
(больше 100) входящих линейных ВОК. Оптические кроссы раз-
личаются емкостью и подразделяются на кроссы средней плотности
(125...500 внешних оптических волокон) и кроссы высокой плотно-
сти (свыше 500 волокон). В табл. 1.3 приведены основные характе-
ристики оптических кроссов фирмы ADC — одной из ведущих фирм
по производству подобного оборудования.
Кабель-росты применяются для прокладки кабелей между стой-
ками оптических кроссов, стойками сетевого оборудования и т.п.
Пример конструкции наборного кабель-роста, выполненного из поли-
мерных материалов, показан на рис. 1.17.
Кабельные сооружения. К кабельным сооружениям подземных
ВОЛС относятся: кабельная канализация и коллекторы, колодцы ка-
бельной канализации, трубопроводы, желоба, защитные пластины,
пробивные муфты, глухие заглушки и т.п.
Необходимо отметить, что воздушные ВОЛС не содержат кабель-
ных сооружений за исключением устройств ввода ВОК в здания,
называемых также пробками, (рис. 1.18). Для прокладки подземных
ВОЛС используются существующие системы кабельной канализации,
так и создаются новые, с использованием современных материалов и
технологий прокладки ВОК.
Таблица 1.3. Характеристики оптических распределительных
кроссов фирмы ADC
Наименование характеристики Оптические распределительные кроссы сверхвысокой плотности
С двусторонним доступом С фронтальным доступом Узкая, c фронтальным доступом
Размеры стойки, ВхШхГ, см Максимальное число 210x66x61 210x66x483 210 x 45 x 45,7
волокон в стойке Число блоков в стой- 864 864 432
ке/число оптических волокон в блоке 12/72 12/72 6/72
Поддерживаемые SC,FC, Angled SC, FC, Angled SC, FC, Angled
типы разъемов SC, FC SC, FC SC, FC
Максимальное число стоек в ряду 60 8 8
35
100 mm DUCT
SUD ASSEMBLY
(UD NOT SHOWN)
FIST-TC 1279-23A
ADAPTOR ASSEMBLY
FIST-TC 1279-934,
(INCLUDES LID)
BREAKOUT
ADAPTOR ASSEMBY
FIST-TC 1279-93A,
(INCLUDES UD)
ELBOW ASSEMBLY,
HORIZONTAL, 50 mm,
(INCLUDES UD)
FST-TC 1279-93A
30 mm DUCT ASSEMBLY,
WITH в, 250 mm LONG
HINGED LINDS,
FIST-TC 1279-83A
30 mm TEE ASSEMBLY.
(INCLUDE UD)
FST-TC1279-115A
JONEH30mm
Я5Г-7С2179-98
50mm SQUARE
CONVPWTEWBE
RST-TC 1279-23A
XmnSQUARE
DROPOFF
RST-TC 12T9-89IUT
50 m, DOWN
(INCLUDES UD) r
FST-TC127987A
TEE ASSEMBLY,
50 mm
FIST-TC 1279-93A,
(INCLUDES UD)
HINGED UD,
/8x50 mm UNGTHS
50 mm DUCT,
IMTHUDS
FST-TC 1279-8IA
BOTH THE DUCTS THE TUBE CAN
FITTEDTOTHETEE
30 mm SQUARE CONVOLUTED
TUBE
FIST-TC 1279-88
Рис. 1.17. Конструкция наборного кабель-роста (терминология
оригинала)
------Стена
Рис. 1.18. Установка кабельной пробки при вводе ВОК в помещение
36
Кабельная канализация (рис.
1.19) состоит из трубопроводов 2,
служащих для прокладки кабеля 3,
и смотровых колодцев 4 для осмот-
ра, протягивания и соединения от-
дельных концов кабеля. Смотровые
колодцы имеют люки 5. Вся канали-
зация располагается под землей, а на
Рис. 1.19. Схема кабельной
канализации
поверхность выводят только люки
смотровых колодцев, закрытые чугунными крышками 1. Для устрой-
ства трубопроводов широко применяются асбестоцементные и поли-
этиленовые трубы, (рис. 1.20), с наружным диаметром 32, 40, 50 и
63 мм и толщиной стенок 3...5 мм, длиной от 30 до 200 м. Полиэти-
леновые трубы обеспечивают хорошую защиту ВОК от механических
повреждений и грызунов, герметизацию трубопроводов и позволяют
благодаря большой длине сократить количество стыков. Стыковка
полиэтиленовых труб выполняется при помощи сварки или пластмас-
совых патрубков.
На рис. 1.21 приведен пример фрагмента кабельной канализации с
использованием полиэтиленовых труб.
Колодцы кабельной канализации по своему назначению разделя-
ются на проходные, угловые, разветвительные и оконечные, а в зави-
симости от количества каналов вводимого в них трубопровода — на
малые, средние и большие.
Проходные колодцы (рис. 1.22, а) устанавливают на прямых уча-
стках канализации через 100-500 м друг от друга для соединения в
Рис. 1.20. Трубы для изготовления трубопроводов:
j — асбестоцементные; б — бетонные; в — полиэтиленовые; г — полиэтиленовый
.лланг
37
Рис. 1.21. Фрагмент кабельной канализации с использованием
полиэтиленовых труб
Рис. 1.22. Типы кабельных колодцев
них строительных длин прокладываемого кабеля и для протягивания
кабеля через каналы.
Угловые (рис. 1.22, б) и разветвительные (рис. 1.22, в) колодцы
устанавливают в местах поворота и разветвления канализации, а око-
нечные (рис. 1.22, г) — около здания местной телефонной станции
(станционный колодец) и при вводе большого количества кабелей в
административные здания (абонентские колодцы).
Желоба и защитные пластины используются для защиты ВОК от
механических повреждений при прокладке их в грунте и наружной
прокладке.
Желоба и пластины, изготовленные из поливинилхлорида, являют-
ся наиболее простым и дешевым средством защиты ВОК, укладыва-
емых в грунт. Обычно они прокладываются поверх слоя песка тол-
щиной 5... 10 см, закрывающего кабель. На поверхность желоба или
пластины нанесены надписи, предупреждающие о кабельной линии.
Примеры конструкций показаны на рис. 1.23. Для защиты ВОК, про-
ложенных в грунт ранее, используются также расщепленные трубы,
(рис. 1.24).
38
Гофрированные желоба
Upotel
для защиты электрических
кабелей связи_____________
Upotel XYS 10903 м
Upotel XYS 10903м
Профильные желоба Upotel
для защиты электрических
кабелей и кабелей связи.
Материал ПВХ
Литые желоба Upotel
для защиты электрических кабелей
и кабелей связи.
Материал ПВХ
Upotel RU-SKK 500 м
Upotel RU-SKK 500 м
Upotel XYS 20120 1 м
Upotel XYS 20120 1 м
Upotel XYS 20140 1 м
Защитные 100 м пластины Upotel
Гофрированная пластинка для
защиты кабелей.
Материал: ПВХ
Upotel XYS 1510 шир. 100 мм
Upotel XYS 1510 шир. 200 мм
Рис. 1.23. Конструкции желобов и пластин для защиты кабелей
Трубы Upotel UBH
для защиты элект-
рических кабелей
связи проложенных ранее.
Материал ПВХ
Upotel
UBH 100*3,0*6000
Рис. 1.24. Расщепленные трубы для защиты ВОК, проложенных ранее
в грунт
39
При наружной прокладке ВОК в пределах железнодорожной стан-
ции, переходах ВОК через неразводные мосты используются железо-
бетонные желоба, изготавливаемые секциями, (рис. 1.25).
Постоянно растущие объемы строительства ВОЛС стимулируют
производителей кабельной арматуры, оборудования и кабельных со-
оружений совершенствовать технологию их производства, применять
современные материалы и разрабатывать эффективные технологии
монтажа при сохранении высокого качества и надежности.
Рис. 1.25. Железобетонный
желоб для наружной прокладки
ВОК
1.5. Топологические и структурные
схемы волоконно-оптических сетей
связи
Многие важнейшие характеристики сетей связи определяются их
топологией, характеризующей связность узлов сети линиями связи и
позволяющей оценить надежность и пропускную способность сети
при повреждениях.
Выбор топологии основывается на таких требованиях к сети как
высокая надежность, простота технического обслуживания, низкая
стоимость сети и др.
Надежность сети связана со способностью восстановления после
отказов в сети, включая отказы линий связи, узлов и оконечных
устройств. Топология сети должна обеспечивать локализацию неис-
правностей, возможность отключения отказавшего оборудования,
введение обходных маршрутов и изменения конфигурации сети.
Простота технического обслуживания сети определяется тем, на-
сколько выбранная топология позволяет упростить диагностирование,
локализацию и устранение неисправностей.
Стоимость сети во многом зависит от числа и сложности
узлов и линий связи. Выбранная топология сети должна, по возмож-
ности, обеспечивать оптимальное соединение узлов линиями связи
40
так, чтобы общая стоимость передающей, аппаратной сред и про-
граммного обеспечения была минимальной.
Для создания волоконно-оптических сетей связи (и ЛВОС) базо-
выми являются линейная, кольцевая и звездная топологии.
Линейной топологией, или схемой «точка-точка», принято назы-
вать схему, связывающую два узла сети (оконечные станции), на
каждом из которых формируются и заканчиваются все информацион-
ные потоки, передаваемые между узлами. Для их передачи посред-
ством ВОСП используются два волокна (по одному в каждом на-
правлении передачи), а при резервировании волокон — четыре
(резерв 1+1 или 1:1), (рис. 1.26, а).
Развитием линейной топологии при последовательном соединении
узлов сети (или нескольких пунктов выделения каналов) является
цепочечная топология с возможностью многократного ввода-вывода
в узлах сети (пунктах выделения каналов) одного общего для всех
пунктов выделения канала (схема «точка-многоточка») или разных
каналов из единого цифрового потока, (рис. 1.26, б).
Кольцевая топология характеризуется тем, что узлы сети (пункты
выделения каналов) связаны линейно, но последний из них соединен
с первым, образуя замкнутую петлю (кольцо). В кольце возможна
организация однонаправленной и двунаправленной передачи цифро-
вого потока между узлами сети.
Кольцо, организованное оптическими волокнами внутри одного
ВОК назвается «плоским».
При использовании волокон кабелей, проложенных по разным
трассам между узлами сети (пунктами выделения каналов), и двунап-
равленной передачи цифрового потока кольцо является «выпуклым»,
(рис. 1.26, в}.
Звездная топология сети характеризуется тем, что каждый узел
сети (пункт выделения каналов) имеет двухстороннюю связь по от-
дельной линии с центральным узлом — концентратором, благодаря
которому и обеспечивается полная физическая связность сети, (рис.
1.26, г). Наибольшей надежностью обладает кольцевая топология сети
с организацией выпуклых колец между узлами и двунаправленной
передачей цифрового потока внутри кольца.
Поэтому Министерство связи РФ рекомендует при создании воло-
конно-оптических сетей связи применять кольцевую топологию. Так
как сеть связи МПС является составной частью взаимоувязанной сети
связи России, то первичная волоконно-оптическая сеть железных
дорог страны будет построена на кольцевой топологии.
41
a)
ос
ОС
1 + 1 (»:»
Рис.1.26. Типы базовых топологий волоконно-оптических сетей:
а — линейная; б — цепочечная; в — кольцевая; г — звездная
42
Кольцевание сети будет осуществляться исходя из следующих
принципов. В случае, когда железные дороги проходят параллельно,
кольцевание осуществляется с использованием поперечных рокад-
ных направлений или с использованием инфраструктуры других ве-
домственных сетей, например, на опорах линий электропередачи
(ЛЭП). На линейной сети связи, проложенной вдоль ж.д., будут фор-
мироваться плоские кольца. Опыт эксплуатации ВОЛС С.-Петер-
бург - Москва показал неэффективность построения протяженных
колец. Учитывая взаимное тяготение узлов, расположенных вдоль
железнодорожных магистралей, плоские кольца целесообразно орга-
низовывать в пределах диспетчерского участка и отделения дороги.
Выпуклые кольца большой протяженности организуются на дорож-
ном и магистральном уровнях.
В общем случае при создании волоконно-оптических сетей ис-
пользуют различные комбинации базовых топологий, позволяющие
более полно использовать достоинства волоконной оптики.
Большое значение для волоконно-оптических сетей связи имеет
способ физического доступа к передающей среде — волокну, тип
сетевого интерфейса. По этому признаку волоконно-оптические сети
связи разделяются на пассивные и активные.
В пассивных топологиях физический доступ (ввод-вывод сигнала)
осуществляется в оптической области (по оптическому сигналу) с
помощью пассивных оптических элементов, таких, как оптические
ответвители, разветвители, спектральные мультиплексоры-демультип-
лексоры, переключатели (см. п. 2.3.). Узел сети получает в этом
случае порцию оптической энергии непосредственно из оптического
волокна и вводит оптический сигнал непосредственно в оптическое
волокно. Пассивный узел — это простая точка ветвления, которая
может только ослабить сигнал, но не изменяет его форму и содержа-
ние. Непрерывность оптической среды в точках доступа пассивной
сети не нарушается, однако возникающие при вводе-выводе потери
сигнала требуют тщательного расчета его энергетического потенциала
в сети. С точки зрения топологии в пассивных волоконно-оптических
сетях связи используется так называемая многоточечная пассивная
схема той или иной конфигурации с оптико-оптическим сетевым ин-
терфейсом.
В активных топологиях доступ к общему цифровому потоку осу-
ществляется в электрической области, для чего оптический сигнал в
узле преобразуется в электрический при выводе, а при вводе выпол-
няется обратное преобразование. В узлах (пунктах выделения кана-
43
лов) сети нарушается непрерывность передающей среды: сетевой
интерфейс при выводе оптоэлектронный, а при вводе — электронно-
оптический. Активный узел может изменять или переключать цифро-
вые потоки (каналы) и в этом отношении имеет больше функциональ-
ных возможностей по обработке сигнала, чем пассивный узел, однако
при этом возрастает и вероятность искажения сигнала.
Волоконно-оптические сети связи, создаваемые на базе волокон-
но-оптических систем передачи синхронной цифровой иерархии
(SDH), в общем случае являются двухуровневыми и состоят из
транспортной, или магистральной сети, и сетей абонентского дос-
тупа.
В транспортной сети циркулируют крупные цифровые потоки с мак-
симально высокой скоростью передачи между узлами, в которых осу-
ществляется доступ к этим потокам, их разделение на более мелкие циф-
ровые потоки и распределение последних в сети абонентского доступа.
Понятие сети абонентского доступа связано с тем, какой цифровой поток
требуется абоненту или группе абонентов: 64 кбит/с (их64 кбит/с;
где п — количество потоков), 2 Мбит/с или их2 Мбит/с, 34 Мбит/с,
155 Мбит/с или 622 Мбит/с.
Особенностью существующей железнодорожной первичной сети
связи является ее иерархическая структура, отражающая структуру
управления технологическими процессами на магистральном, дорож-
ном, отделенческом и местном уровне.
Структура создаваемых волоконно-оптических сетей, сохраняя
иерархическую преемственность, позволяет более гибко и эффектив-
но решить задачи обмена информации между различными категори-
ями пользователей железнодорожного транспорта благодаря примене-
нию ВОСП SDH, встроенной в нее системы управления оборудо-
ванием сети, созданию кольцевых топологий.
На рис. 1.27 приведен пример структуры сети, построенной на
базе оборудования SDH. Вдоль железных дорог прокладывается
ВОЛС с использованием систем STM-Ь (STM-16) для организации
магистральной и дорожной связи. На крупных и средних железнодо-
рожных станциях организуются сетевые узлы, оборудованные МВВ с
функциями кроссовой коммутации, и обеспечивающими ответвление
высокоскоростных потоков (155, 140 Мбит/с), распределение пото-
ков, взаимодействие с системами STM-1 (STM-4) нижнего уровня и
разветвление потоков иг2 Мбит/с по направлениям на узловых желез-
нодорожных станциях, а также выделение необходимого количества
потоков 2,048 Мбит/с.
44
Рис. 1.27. Пример структурной схемы железнодорожной волоконно-оптической сети связи
На уровне отделенческой связи используются системы STM-]
(STM-4). Все оборудование первичной сети SDH охватывается сис-
темой управления сетью. Центры управления организуются в крупных
узлах с учетом резервирования и возможностей передачи функций
контроля и управления на резервные центры.
Терминалы абонентов местной сети включаются в коммутацион-
ное оборудование вторичных сетей, которое в свою очередь через
стыки 2,048 Мбит/с подключается к первичной сети SDH. Для под-
тягивания абонентов малых станций используются отдельные тракты,
рассчитанные на скорость 2,048 Мбит/с, которые могут быть органи-
зованы по волокнам того же кабеля или по парам существующих
симметричных кабелей. Для организации оперативно-технологичес-
кой связи используется специализированная аппаратура типа ДСС,
которая работает по оптическим волокнам.
Контрольные вопросы
1. В чем преимущество волоконно-оптических кабелей перед сим-
метричными кабелями связи?
2. Укажите области применения оптических волокон и кабелей на
железнодорожном транспорте.
3. Назовите методы изготовления заготовок оптических волокон.
4. Какие параметры ВОСП и кабелей определяют длину элементарных
кабельных участков?
5. Что относится к кабельной арматуре, оборудованию и линейным
сооружениям ВОЛС?
6. Назовите базовые топологии волоконно-оптических сетей связи.
46
Глава 2
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ
И ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ
СВЯЗИ
2.1. Источники оптического излучения
Формирование цифрового сигнала для передачи информации и его
обратное преобразование при приеме осуществляются в стандартном
оконечном оборудовании цифровой системы передачи каналогруппо-
образования. Сформированный на передающей станции сигнал пере-
дается на приемную станцию в виде световой энергии через обору-
дование волоконно-оптического линейного тракта.
Преобразование электрических сигналов в оптические происходит
в оптическом передающем устройстве. Основным его элементом
является источник оптического излучения.
Оптическое передающее устройство является одним из важнейших
элементов, обеспечивающих качественные показатели цифровой волокон-
но-оптической системы передачи. Оно предназначено для преобразования
электрических импульсов в оптические и состоит из источника излучения,
схемы управления и узла оптического сопряжения.
Источник излучения, используемый в оптической системе переда-
чи, должен удовлетворять ряду требований:
— иметь излучение на волне длиной, соответствующей минимуму
затухания оптического волокна;
— эффективно преобразовывать электрический сигнал в оптичес-
кий;
— иметь малый собственный шум, достаточно малую ширину
спектра излучения, большой срок службы и высокую надежность;
— обеспечивать требуемые высокие линейность и скорость моду-
ляции.
В наибольшей степени таким требованиям удовлетворяют источни-
ки излучения, построенные на основе светоизлучающих диодов и
инжекционных лазерных диодов.
47
Как светоизлучающие, так и лазерные диоды состоят из несколь-
ких слоев полупроводниковых материалов, обладающих различными
свойствами и образующих п-р переходы. Генерация излучения в та-
ких структурах обусловлена рекомбинацией (перемещением) элект-
ронов и дырок под воздействием напряжения, приложенного к п-р
переходу и смещающего его в прямом направлении. В результате
этого в так называемой активной зоне, расположенной возле п-р пе-
рехода, образуются фотоны, распространяющиеся в различных на-
правлениях. С помощью специальной конструкции можно упорядо-
чить движение фотонов и обеспечить вывод из прибора большей части
генерируемого излучения.
Основными материалами, из которых изготавливаются светоизлу-
чающие и лазерные диоды, служат арсениды и фосфиды галия, индия
и алюминия. Как светоизлучающие, так и лазерные диоды, построен-
ные на основе арсенида галия с добавлением алюминия (Ga Al As),
излучают волну длиной 0,8-0,9 мкм. Устройства на основе арсенида
фосфида индия-галия (In Ga As Р) могут излучать волны в диапазо-
не 1,0-1,6 мкм.
Светоизлучающие диоды, предназначенные для оптических систем
передачи, имеют конструкцию, обеспечивающую вывод и распрост-
ранение генерируемого излучения перпендикулярно плоскости п-р
перехода, расположенного между слоями полупроводников с прово-
димостью различного типа. Важным при этом является эффективность
ввода излучения светоизлучающих диодов в оптическое волокно. Ее
можно увеличить сферической линзой, рис. 2.1.
Существуют светоизлучающие диоды, конструкция которых обес-
печивает вывод генерируемого излучения параллельно поверхности
п-р перехода, то есть через бо-
ковую грань устройства. Это
позволяет уменьшить площадь
излучающей поверхности, по-
высить эффективность ввода
генерируемого излучения в оп-
тическое волокно. Такая кон-
струкция хорошо приспособ-
лена для работы с линзовым
согласующим устройством.
Однако в светоизлучающих
диодах с торцевым излучением
труднее осуществить теплоот-
Линза
Эпоксидная
смола
Контакт(+)
Диффузионный
слой цинка
п — АКЗаАз
р — АКЗаАз
р — ваАз
п — АКЗаАв
-Псщложкаиз
п —(ЗаАз
Светоизлучающая эона ^контакт (+)
Рис. 2.1. Структурная схема
светоизлучающего диода
48
Рис. 2.2. Ватт-амперная
характеристика светоизлучающих
диодов при температуре:
1 — 20°С; 2 — 40°С
дачу, чем в светоизлучающих ди-
одах о поверхностным излуче-
нием.
Одной из важнейших характе-
ристик светоизлучающих диодов
является ватг-амперная характери-
стика (рис. 2.2), отражающая за-
висимость излучаемой мощности
(Р) от тока смещения (инжек-
ции)(7). Из рис. 2.2 видно, что
светоизлучающие диоды имеют
хорошую линейную зависимость
выходной мощности при измене-
нии тока смещения в диапазоне
50—400 мА. Повышение темпера-
туры приводит к уменьшению из-
лучаемой мощности светоизлучающих диодов. При этом для прибо-
ров на основе In Ga As Р, излучающих волну длиной 1,3 мкм, эта
зависимость проявляется сильнее, чем для приборов на основе Ga Al
As, излучающих волну длиной 0,85 мкм.
Другая важная характеристика светоизлучащих диодов — ширина
спектра излучения (рис. 2.3). Как следует из рис. 2.3 ширина спектра
излучения светоизлучащих диодов на длинах волн 0,85 и 1,3 мкм
относительно велика и составляет 40-90 нм, что снижает эффектив-
ность ввода световой энергии в волокно.
Инжекционные лазерные диоды, используемые в оптических сис-
темах передачи, по устройству подобны светоизлучающим диодам с
торцевым излучением. Они также состоят из нескольких слоев полу-
проводниковых материалов с различными свойствами, (рис. 2.4).
Рис. 2.3. Ширина спектра излучения светоизлучающих диодов:
а — при длине волны 0,85 мкм; б — при длине волны 1,3 мкм
49
GaAfe (2 мкм) Диаграмма
GaAs (0,5 мкм)
Рис. 2.4. Структурная схема лазерного диода
Для создания эффекта лазерного (стимулированного) излучения
необходимо:
— обеспечение достаточного усиления потока фотонов, образу-
ющихся в активной области полупроводникового лазера;
— создание резонансной структуры для поддержания вынужден-
ного (стимулированного) излучения.
Первое условие выполняется благодаря соответствующему выбо-
ру тока смещения, а второе — ограничению активной зоны полупро-
водникового лазера полупрозрачными гранями, получающимися при
сколе кристалла.
На рис. 2.5 приведена типичная ватт-амперная характеристика ла-
зерного диода. На ней выделяются три участка. При малом токе
смещения (участок а) лазерный диод подобен светоизлучающему
диоду и характеризуется спонтанным излучением. При токе смеще-
ния, соответствующем переходной области ватт-амперной характери-
стики (участок в), возрастает доля индуцированного излучения, что
соответствует режиму суперлюминесценции. При больших токах
смещения (участок с) лазерный диод переходит в режим стимулиро-
ванного излучения или генерации.
Спектральные характеристики излучения лазерных диодов при
различных токах смещения, соответствующие указанным трем режи-
мам (участки а, в, с), приведены на рис. 2.6. Спектр излучения ла-
зерного диода в режиме генерации (участок с) характеризуется нали-
чием нескольких пиков спектральной плотности (так называемых
мод). Число и относительные значения мод, излучаемых лазерными
50
Р.МВК
Рис. 2.5. Ватт-амперная характеристика
лазерного диода:
а — при малом токе смещения; б — при токе
смещения, соответствующем переходной обла-
сти ватт-амперной характеристик; с — при
больших токах смещения
диодами, зависят от конструкции и размеров резонатора, образован-
ного в полупроводниковом лазере.
В настоящее время используются лазерные диоды, генерирующие
несколько мод с шириной спектральной линии порядка 0,2 ВК, и
одномодовые лазерные диоды, генерирующие спектральную линию
шириной порядка 0,1 нм.
В)
F
Рис. 2.6. Спектральная
характеристика излучения
лазерных диодов при различных
токах смещения, соответст-
вующих трем режимам их ватт-
амперной характеристики:
1,372 1,376 1,380 1,384 Кмкм
а — при малом токе смещения; б — при токе смещения, соответствующем
переходной области ватт-амперной характеристики; в— при больших токах
смещения
51
Мощность излучения, генерируемого лазерным диодом, в значи-
тельной степени зависит от его температуры. Так, при повышении
температуры лазерного диода от 20 до 40°С при постоянном токе
смещения, превышающем пороговый ток, излучаемая им мощность
снижается на 25%. Если ток смещения лазерного диода выбран близ-
ким к пороговому, то увеличение температуры приводит к режиму
спонтанного излучения, характеризуемому малой мощностью и ши-
роким спектром излучения.
Для обеспечения надежной работы источника излучения необходи-
мо стабилизировать его режим (ток смещения и температуру). С этой
целью к излучателю подключается схема автоматического регулиро-
вания тока смещения, а температурный режим стабилизируется мик-
рохолодильным устройством.
Важными показателями пригодности источников излучения раз-
личных типов для использования в оптических системах передачи
являются их модуляционные характеристики. Как светоизлучающие,
так и лазерные диоды могут модулироваться путем изменения пита-
ющего электрического тока (прямая модуляция). Достижимые часто-
ты прямой модуляции составляют от 20 МГц до 1 ГГц (для светоиз-
лучающих диодов различных типов) и от 5 до 10 ГГц (для наиболее
быстродействующих лазерных диодов).
Для волоконно-оптических систем передачи в качестве источни-
ков излучения чаще используются инжекционные лазерные диоды.
Они имеют ряд преимуществ перед светоизлучающими диодами по
ряду параметров (излучаемой мощности, быстродействию и др.).
В условиях эксплуатации весьма важной задачей является обеспе-
чение максимально возможного срока службы источников излуче-
ния. Это связано с тем, что светоизлучающим и лазерным диодам
присуще явление деградации.
У современных СИД средний срок службы составляет 106
часов при температуре 25°С и зависит от режима работы: непрерыв-
ный при высокой температуре и/или электрические перегрузки. Уве-
личение температуры и перегрузки сокращают срок их службы в
среднем в 1,5 раза.
Средний срок службы лазерных диодов на порядок меньше, чем
У СИД.
При этом деградационные процессы в лазерных диодах протекают
значительно быстрее, чем в светоизлучающих диодах. Скорость про-
текания процессов деградации в лазерном диоде зависит непосред-
ственно от режимов его работы. С увеличением наработки лазерных
52
диодов происходит снижение излучаемой мощности. Для ее компен-
сации приходится увеличивать ток смещения, что в свою очередь,
приводит к еще большему ускорению деградационных процессов.
На рис. 2.7 показана температурная зависимость срока службы
лазерного диода. Можно видеть, что время его работы уменьшается
на порядок при увеличении температуры на 40°С.
Деградационные процессы в лазерных диодах протекают быстрее
при электрических перегрузках — скачках и импульсах тока. Меха-
низм повреждения при кратковременных скачках тока обычно заклю-
чается в мгновенном перегреве поверхности лазера. Поэтому задача
обеспечения оптимального режима работы источника излучения явля-
ется чрезвычайно важной.
Рис. 2.7. Срок службы
лазерного диода в
зависимости от
температуры
2.2. Приемники оптического излучения
Фотоприемное устройство волоконно-оптической системы переда-
чи предназначено для преобразования оптических сигналов в электри-
ческие. Оно должно обладать высокой чувствительностью в рабочем
диапазоне волн, малой инверсностью, низким уровнем шума и др.
Чувствительность фотоприемного устройства должна быть достаточ-
ной для обеспечения требуемой длины регенерационного участка опти-
ческой системы передачи. Кроме этого, фотоприемное устройство дол-
жно поддерживать отношение сигнал-шум на выходе не менее
заданного значения в пределах допустимых изменений температуры и в
требуемом динамическом диапазоне принимаемых сигналов.
Таким требованиям удовлетворяют полупроводниковые фотодиоды.
В волоконно-оптических системах передачи нашли применение
фотоприемные устройства на основе так называемых p-i-n фотодио-
53
дов и лавинных фотодиодов, в которых используется внутренний фо-
тоэффект.
Работа фотодиодов основана на использовании р-п перехода меж-
ду полупроводниками р и «-типа, способного поглощать детектируе-
мое излучение. При попадании светового излучения на р-п переход
большая часть поглощенной энергии идет на образование пар элект-
рон-дырка.
Эти носители, образованные в обедненном слое между полупро-
водниками с р и «-проводимостью, немедленно переносятся через
р-п переход электрическим полем. Скорость их перемещения в обед-
ненном слое определяет фототок фотодиода. Поскольку обедненный
слой существует в полупроводниковом материале на небольшой глу-
бине, то фототок определяет сравнительно небольшое количество пар
электрон-дырка. Спектральная чувствительность такого приемника к
оптическому излучению оказывается низкой.
Повышение чувствительности может быть достигнуто различными
методами.
Так, для увеличения глубины обедненного слоя между р и
«-полупроводниками помещается слой нелегированного полупровод-
ника (/-область, область собственной проводимости), что приводит к
увеличению образующихся при оптическом излучении пар электрон-
дырка и фототоку. Такой фотодиод называется p-i-n фотодиодом и
обладает более высокой чувствительностью.
Чувствительность фотодиодов повышается, если использовать эф-
фект умножения, возникающий в диодах с очень высоким напряжени-
ем смещения, близким к напряжению пробоя. При этом в запирающем
слое фотодиодов образуются настолько высокие напряжения поля, что
электрические носители заряда, получаемые при падении света, сами
вырабатывают новые пары носителей заряда в результате ударной иони-
зации. Таким образом, каждый фотон высвобождает множество элек-
трических пар носителей заряда. На этом эффекте основаны лавинные
фотодиоды. Чувствительность лавинного фотодиода растет с увеличе-
нием коэффициента умножения, но в такой же пропорции уменьшается
его быстродействие. Так как коэффициент умножения в значительной
степени зависит от напряжения смещения, его необходимо стабилизи-
ровать. Поэтому на коротких линиях связи и при малых скоростях
передачи предпочтение отдается p-i-n фотодиодам.
Для изготовления фотодиодов используются кремний, германий и
различные компонентные соединения типа InP, InGaAs, InGaAsP,
обладающие различными значениями коэффициента поглощения оп-
54
тического излучения. Кремниевые фотодиоды используются в диапа-
зоне длин волн до 1,0 мкм. Германиевые фотодиоды и фотодиоды на
основе сплавов InGaAs, InGaAsP, используются в диапазоне длин
волн 1,3...1,6 мкм.
На рис. 2.8, 2.9 показаны структурные схемы p-i-n фотодиода и
кремниевого лавинного фотодиода. Зависимости принимаемой p-i-n и
лавинным фотодиодами мощности оптического сигнала от скорости
передачи информации приведены на рис. 2.10.
В ВОСП под чувствительностью приемника обычно понимается
минимальная мощность входного оптического сигнала, при которой
обеспечивается коэффициент ошибки равный Г1010. Эта мощность
зависит только от двух параметров — квантовой эффективности и
уровня шумов, которые в свою очередь зависят от типа фотодиода и
усилителя, являющихся основными элементами приемника. Посколь-
ку в современных фотодиодах квантовая эффективность близка к
теоретическому пределу, то именно уровень шумов определяет чув-
ствительность приемника.
Основными составляющими шума в оптическом приемнике явля-
ются тепловой шум усилителя, дробовой (квантовый) шум оптичес-
кого сигнала и дробовой шум темнового тока фотодиода. Дробовой
шум обусловлен дискретной природой тока оптического сигнала и
Рис. 2.8. Структурная схема p-i-n
фотодиода:
1 — р+ - ограничитель канала;
2 — п - охранное кольцо;
3 — Si3N4;
4 —п — контакт;
5 — SiO2; 6 — р- контакт
Рис. 2.9. Структурная схема
кремниевого фотодиода
1 —п - контакт;
2 - «+ -I Jn^Ga^As
5 — П — J
4 — п~ - 1пР
5 — р+ - 1пР
6 — р+- 1пР
7 —р- контакт
55
Принимаемая мощность, дБм
Рис. 2.10. Зависимость
мощности принимаемого
оптического сигнала от
скорости передачи
информации
темнового тока фотодиода, или тока
утечки. Последний связан с образовани-
ем пар электрон-дырка в фотодиоде под
влиянием оптического излучения и воз-
растает с повышением темпера-туры.
Составляющие шума приемника име-
ют различную энергетическую плот-
ность: тепловой шум усилителей на 1...3
порядка превышает дробовой шум сиг-
нала и фотодиода.
Если используется pin фотодиод, то
преобладающим в приемнике является
тепловой шум усилителя, имеющий наи-
большую энергетическую плотность. Он
ограничивает чувствительность прием-
ника до 40 дБм.
При использовании лавинного фотодиода с коэффициентом усиле-
ния М за счет процесса лавинного умножения коэффициент шума
Мх, где х = 0,2... 1,0. Существуют значения коэффициента умножения
М, при которых обеспечивается оптимальный прием оптического
сигнала — дробовой шум фотодиода в этом случае превышает теп-
ловой шум усилителя. Значение оптимального коэффициента умноже-
ния в различных лавинных фотодиодах колеблется от 15 до 70, при
этом их коэффициент шума находится в диапазоне 3...15 дБ.
В таких приемниках ограничивающим фактором является дробо-
вой шум лавинного фотодиода, энергетическая плотность которого на
1...3 порядка меньше энергетической плотности теплового шума уси-
лителя. Этим достигается улучшение чувствительности приемников
на основе лавинных фотодиодов: до 50 дБм.
Характер связи между фотодиодом и усилителем влияет на иска-
жения сигнала в приемнике, на чувствительность, динамический ди-
апазон, и, как следствие, на тип кода линейного сигнала цифровых
ВОСП. По этому признаку оптические приемники разделяются на
приемники со связью по постоянному и со связью по переменному
току.
Приемники со связью по постоянному току реагируют на сигналы
в любом коде ВОСП от постоянного тока до сигналов с некоторой
частотой, определяемой верхней частотой его полосы пропускания.
Отсутствие переходных конденсаторов между фотодиодом и усилите-
лем повышает быстродействие приемника. Недостатком приемников
56
этого типа являются искажения длительности импульсов из-за приме-
нения компараторов, что ограничивает скорость передачи и динами-
ческий диапазон принимаемого сигнала в цифровых ВОСП.
В приемнике со связью по переменному току в цепи между фото-
диодом и усилителем устанавливается конденсатор, который с нагру-
зочным сопротивлением образуют 7?С-цепь. Такая цепь является пе-
реходной и позволяет отделить постоянную составляющую при
усилении или преобразовании сигналов, если постоянная времени
Т = RC больше или равна длительности импульсных сигналов
(Г) ВОСП.
В таких приемниках из-за низкочастотного среза спектра сигнала
ВОСП возникают длинные хвосты импульсов вне рабочего такта и
наползание их на соседние импульсы (межсимвольная помеха), что
приводит к искажению импульсов и необходимости снижения скоро-
сти передачи.
Таким образом, приемник со связью по переменному току при
Т > tK налагает определенные требования к коду линейного сигнала
и режиму передачи данных. Более гибким является приемник, у ко-
торого Т« tn — приемник со связью по фронтам сигнала. Цепью
связи в таком приемнике пропускаются только фронты импульсов,
происходит операция дифференцирования. Дифференцирование влия-
ет на отношение сигнал/шум, ухудшая его.
Приемник со связью по фронтам сигнала не накладывает каких-
либо ограничений на формат передаваемых данных, длину последо-
вательностей «1» или «О», не требует заполнения пауз, но платой за
эти преимущества является снижение чувствительности приема на 8,2
ДБ.
Чувствительность приемника любого типа зависит также от схемы
усилителя и применяемой в нем элементной базы.
Шум на выходе приемника будет минимальным, если входное
сопротивление предварительных каскадов усилителя будет выбрано
большим. При этом происходит ограничение динамического диапа-
зона.
В приемниках ВОСП используются две схемы усилителей: высо-
коимпедансная и трансимпедансная. Самым низким уровнем шумов
обладают приемники с высоким входным импедансом, обеспечивае-
мым усилителем на полевых транзисторах. Однако в таких усилите-
лях трудно избежать перенасыщения при больших уровнях сигнала.
Этого недостатка лишены трансимпедансные усилители — усилители
с большим коэффициентом усиления и высоким входным импедан-
57
сом, охваченным обратной связью, что обеспечивает низкий уровень
шумов при широком динамическом диапазоне.
2.3. Пассивные оптические элементы
Качество связи и эксплуатационные расходы любой ВОСП во
многом определяются ее пассивными оптическими элементами.
К ним относятся: аттенюаторы (ослабители); оптические изолято-
ры; оптические разветвители и разъемные соединители.
Наибольшее преимущество пассивных оптических элементов про-
является в полностью оптических сетях, в которых главную роль при
коммутации, мультиплексировании, ретрансляции сигналов играют
чисто оптические технологии. Такие сети способны обеспечить гиган-
тскую полосу пропускания для реализации существующих и перс-
пективных сетевых технологий на основе лазеров с перестраиваемой
длиной волны, оптических волновых мультиплексоров, широкопо-
лосных оптических усилителей и коммутаторов.
Аттенюаторы применяются в ВОСП для уменьшения оптической
мощности, падающей на фотодетектор, во избежание насыщения при-
емника и сокращения срока его службы, а также для уравновешива-
ния уровней оптической мощности в пассивных волоконно-оптичес-
ких сетях. Они устанавливаются как на передающей, так и на
приемной стороне оборудования ВОСП.
Существуют постоянные и переменные аттенюаторы. Последние
применяются, как правило, в течение срока службы ВОСП для пери-
одической подстройки передаваемой, а чаще принимаемой оптичес-
кой мощности.
По принципу действия различают аттенюаторы с контактирующими
и не контактирующими волокнами.
На оптические характеристики аттенюаторов влияют: диапазон за-
тухания, рабочая длина волны, затухание мощности обратного рассе-
яния, спектральная чувствительность, чувствительность к поляриза-
ции, повторяемость затухания переменных аттенюаторов, тип оптичес-
кого волокна (одномодовое, многомодовое). В табл. 2.1 приведены
основные характеристики аттенюаторов.
В ВОСП используются аттенюаторы-шнуры, аттенюаторы-розетки, ат-
тенюаторы ^Л/-розетки. Аттенюаторы-шнуры оконцовываются с обеих
сторон стандартными соединителями (ST, SC, FC). Затухание в шнуре
обеспечивается благодаря специальному волокну. Аттенюаторы-розетки
изготавливают с регулируемым и фиксированным затуханием.
58
Таблица 2.1. Оптические характеристики аттенюаторов
Наименование характеристики Численное значение
Диапазон затуханий 5...20 дБ
Максимальное отклонение от номинального значения затухания От ±1 до ±2 дБ
Диапазон рабочих частот От 1270 до 1600 нм
Потери обратнорассеянной мощности От 20 до 50 дБ
Спектральная чувствительность Большая
Чувствительность к поляризации Слабая или отсутствует (< 0,5 дБ)
Повторяемость ±2дБ
Пример аттенюатора — FM-розетки стандарта SC показан на
рис. 2.11. Такие аттенюаторы изготавливаются с фиксированным
набором значений затухания 5, 10, 15 и 20 дБ.
Оптические изоляторы используются для подавления оптических
сигналов, отраженных от неоднородностей, образуемых оптическими
соединителями, разветвителями, оптическими усилителями. Оптичес-
кий изолятор обеспечивает пропускание оптического излучения в пря-
мом направлении почти без потерь (0,1.. .0,3 дБ), а в обратном направ-
лении с большим затуханием (>30 дБ). Изоляторы входят в состав
оптических усилителей, лазерных систем и используются в качестве
отдельного элемента оптических линий и сетей связи.
Оптические разветвители в зависимости от выполняемых фун-
кций делятся на три основных группы:
— неселективные делители/изоляторы мощности — оптические
разветвители и ответвители;
— спектрально-селективные делители/сумматоры оптических сиг-
налов — волновые мультиплексоры/демультиплексоры;
— переключатели (коммутаторы) — управляемые внешним
воздействием разветвители оптических сигналов.
Первая группа разветвителей применяется в сетях, использующих для
передачи информации оптический сигнал только одной длины волны;
Рис. 2.11. Внешний вид
аттенюатора FAf-розетки
стандарта SC
59
волновые мультиплексоры — в сетях с оптическим уплотнением по дли-
нам волн (WDM—Wavelength Division Multiplexing); оптические пере-
ключатели — в сетях с коммутацией каналов.
Все разветвители могут быть представлены схемой многополюс-
ника. В состав разветвителя входят входные и выходные волокна и
распределительный функциональный элемент, в оптическом переклю-
чателе — также устройство управления. Отличия между группами
разветвителей, определяемые особенностями механизмов распределе-
ния сигнала, выражаются в различной логике формирования матриц
входных и выходных сигналов. В табл. 2.2 представлена классифи-
кация оптических разветвителей.
Основными оптическими параметрами разветвителей являются:
матрица передачи; коэффициент передачи между портами; оптические
вносимые потери; оптическое переходное затухание между каналами:
на ближнем конце (коэффициент направленности или передачи в
обратном направлении) и на дальнем конце (переходная помеха в
прямом канале).
Важными параметрами разветвителей также являются: число пор-
тов, габариты; надежность, механическая прочность; стабильность
сохранения оптических параметров при изменении внешних условий.
Общими требованиями к разветвителям являются следующие:
— минимальные вносимые потери, чтобы не накладывать жестких
ограничений на число разветвителей в сети;
— минимальный разброс мощности на выходных портах, чтобы не
ухудшать условия обнаружения сигналов оптическими приемниками;
— максимальное переходное затухание, чтобы исключить мешаю-
щее воздействие различных каналов друг на друга;
— независимость распределения мощности от модового состава и
поляризации сигнала на входных портах, чтобы сохранять постоян-
ство распределения мощности в процессе работы;
— легкость включения в сеть, чтобы обеспечить удобство приме-
нения;
— хорошая технологическая воспроизводимость и низкая сто-
имость, чтобы обеспечить конкурентоспособность оптических сетей.
Для организации дуплексной или полудуплексной передачи по од-
ному волокну нескольких сигналов с различными длинами волн
используются мультиплексоры/демультиплексоры WDM, что позво-
ляет организовать дистанционный контроль параметров оптических
волокон и практически не ограниченно повысить пропускную спо-
собность ВОЛС.
60
Таблица 2.2. Классификация оптических разветвителей
Тип разветвителя Входной порт Выходной порт Особенности разветвителя
Ответвитель 1x2 А, В> Сквозной канал Местный выход/вход
Направленный ответвитель 2x2 А, а2 со га со Сквозной канал Местный выход Местный вход
Разветвитель(делитель мощности) А. В,...В. Одинаковая интенсивность оптического сигнала на всех выходах
Проходной звездообразный разветвитель т х п А) Ат ш и То же
Отражательный разветвитель т х п А) Ат А].. .Ат «
Волновой мультиплексор А](Х]) АщС^Тп) В1(Х1...Хт) Уплотнение сигналов с различными длинами волн Ai
Волновой демультиплексор А1(Х1...Хт) Bi(4 Вш(Ат) Разделение сигналов с различными длинами волн Ai
Переключатель 1 х п А, Ai А. ВИиО B2(U2) в0(’ип) Управляемое сигналами Ц распределение входного потока по одному из нескольких выходных потоков
Различают широкозонные и узкозонные разветвители WDM.
Широкозонные разветвители WDM предназначены для работы с
двумя, тремя длинами волн при расстоянии между ними более
70 нм (1310, 1550, 1625 нм). Они используются для дистанционного
контроля рабочих и резервных волокон ВОЛС. На рис. 2.12 приведен
фрагмент системы дистанционного контроля на длине волны
1,625 мкм с возможностью обхода регенерационных пунктов ВОСП.
Узкозонные разветвители WDM предназначены для мультиплек-
сирования-демультиплексирования оптических сигналов с минималь-
ным расстоянием между длинами волн 0,8 или 1,6 нм (до
70 нм), что позволяет обеспечить одновременную работу по одному
волокну 32...64 ВОСП, например 5ТЛ/-16 или 5ГЛ/-64 (скорость
передачи 2,48 и 9,93 Гбит/с соответственно). Типичные параметры
разветвителей представлены в табл. 2.3.
61
Рис. 2.12. Фрагмент системы дистанционного контроля оптических
волокон:
1 — передатчик оптического сигнала; 2 — приемник оптического сигнала;
3 — оптический переключатель; 4 — оптический рефлектометр; 5 — мульти-
плексоры WDM; 6 — демультиплексоры WDM
Для организации обходных маршрутов, переключения на
резервные каналы, доступа к общей передающей среде в волоконно-
оптических сетях с коммутацией каналов используются оптические
переключатели (коммутаторы). Переключатели имеют схему переклю-
чения 1 хи, а коммутаторы — схему переключения тхп.
В оптических коммутаторах применяется пространственное разде-
ление каналов — направление информационного сигнала из одного
канала в другой (или другие) с минимальным блокированием. Разли-
чают механические, оптоэлектронные и оптические типы коммутато-
ров. Наиболее перспективными являются два последних типа комму-
таторов, в которых изменение направления оптического сигнала
происходит не механическим переключением элементов переключе-
ния а — при малом токе смещения; б — при токе смещения,
соответствующем переходной области ватт-амперной характе-
Таблица 2.3. Параметры разветвителей
Тип разветвителя Конфигура- ция портов Вносимые потери, дБ Размеры корпуса, мм Длина волны, мкм Переходное затухание между портами, дБ
Ответвитель для одномодового волокна 1x2 0,15 5,0x70x8 1,3; 1,55 Больше 55
Направленный ответвитель для одномодового волокна 2x2 0,15 5,0x70x8 1,3; 1,55 Больше 55
Ответвитель для многомодового волокна 1x2 0,1 55x13x8 1,3; 1,55 Больше 55
62
ристики; в — при больших токах смещения, а в результате изме-
нения оптико-физических параметров неподвижной среды распрост-
ранения излучения.
Технология изготовления разветвителей, особенно WDM и ком-
мутаторов, достаточно сложна и дорогостояща. Ее совершенствова-
ние связано с интегрально-оптической технологией изготовления ус-
тройств на дифракционных решетках и связанных волноводах.
Разъемные соединители (разъемы-коннекторы и соединительные
розетки) используются в ВОЛС и ЛВОС для подключения оптическо-
го кабеля к коммутационно-распределительным устройствам, оконеч-
ному (терминальному) оборудованию и контрольно-измерительной
аппаратуре.
К оптическим разъемам предъявляются высокие требования: ма-
лые стыковочные потери, низкий коэффициент отражения и высокая
надежность работы в различных условиях эксплуатации.
Для качественного соединения оптических кабелей требуется уст-
ранить попадание воздуха между торцами совмещаемых ОВ. Для этого
торцы ОВ шлифуют и придают им сферическую форму, благодаря чему
при соединении волокон их торцы плотно прижимаются друг к другу и
возникает оптический контакт (Physic Contact — PC). В разъеме зна-
чительно снижаются потери и обратное рассеяние из-за френелевского
отражения на границе «стекло-воздух». Качество полировки торцов
определяет величину коэффициента отражения оптического соедините-
ля. Типичные значения обратных отражений: менее 30 дБ (PC), ме-
нее 40 дБ (Super PC), менее 50 дБ (Ultra PC). При использовании тех-
нологии АРС (скошенный торец) можно получить коэффициент отра-
жения менее 75 дБ.
Основными типами оптических разъемов, применяемых в ВОЛС и
ЛВОС в настоящее время, являются FC, ST и SC.
Разъемы стандарта FC/PC имеют металлический корпус и резьбо-
вое соединение. Они достаточно надежны и рекомендуются для одно-
модовых волокон ВОЛС и ЛВОС.
В упрощенном варианте — стандарте ST — предусмотрен байонет-
ный тип соединения. Разъемы стандарта SC имеют пластмассовый
корпус прямоугольной формы, удобны при формировании группы
оптических соединителей, дешевы и наиболее перспективны.
Все современные разъемы-коннекторы изготавливаются путем
вклейки ОВ в керамический сердечник с последующей полировкой
торца. В табл. 2.4 приведены типичные характеристики оптических
разъемов.
63
Таблица 2.4. Основные характеристики оптических разъемов
Обозначе- ние разъема Область применения Тип соединения Оптические характеристики
Вносимые потери, дБ Обратные потери, дБ
5Г-125 воле, ЛВОС Байонет с КЛЮЧОМ < 0,2 дБ (типично) < 0,3 дБ (максимально) <-30 дБ (PC) < -40 дБ (Super PC) < -50 дБ (Ultra PC)
FC/PC-125 ВОЛС Резьба М8хО,75 Тоже Тоже
SC-125 ВОЛС, ЛВОС Защелка с фиксатором
2.4. Волоконно-оптические усилители
Волоконно-оптические усилители (ВОУ) являются сравнительно
новыми элементами ВОСП, изучение которых начато в 1987 г., а
коммерческое использование в 1990 г. Применение ВОУ наиболее
целесообразно во втором и третьем окнах прозрачности кварцевых
оптических волокон.
Основное преимущество ВОУ перед электрическими усилителя-
ми — возможность создания линейных трактов ВОСП на оптических
элементах.
Практически это означает замену большинства традиционных ли-
нейных регенераторов ВОСП, осуществляющих оптоэлектронное пре-
образование сигналов, затем восстановление амплитуды, формы и
временнйх положений электрических сигналов и электронно-опти-
ческое их преобразование на ВОУ. Поэтому применение ВОУ наибо-
лее эффективно при создании магистральных ВОЛС, оборудуемых
системами передачи 51>Я-иерархии STM-X6, STM-64, и сравнитель-
но редким вводом-выводом больших цифровых потоков информации
в крупных населенных пунктах.
Волоконно-оптические усилители обладают следующими достоин-
ствами:
— практически неограниченным диапазоном частот;
— одновременным усилением сигналов -на различных длинах
волн;
— независимостью от скорости передачи информации ВОСП и
поляризации ВОК;
— усилением оптических сигналов с любым видом модуляции
(амплитудной, частотной или фазовой);
64
— возможностью применения в системах когерентной или соли-
тоновой связи.
Волоконно-оптические усилители подразделяются на усилители
мощности, включаемые на выходах оптических источников излуче-
ния; линейные усилители; предусилители на входах приемников опти-
ческого излучения для увеличения их чувствительности.
В основе волоконно-оптического усиления лежит принцип вынуж-
денного излучения, как в случае лазеров. Волокно, легированное
ионами редкоземельных элементов (чаще всего эрбия, празеодимия),
является активной средой, обеспечивающей прямое усиление опти-
ческих сигналов в определенном диапазоне длин волн, обычно в
диапазоне 1,55 мкм — третьем окне прозрачности.
Оптический сигнал, который необходимо усилить, поступает на
вход мультиплексора WDM (с разделением по длинам волн), на
другой вход которого подается оптический сигнал накачки с длиной
волны X - 0,98 или 1,48 мкм от инжекционного лазера накачки. Оба
сигнала смешиваются и поступают в легированный эрбием отрезок
ОВ, где полезный сигнал усиливается за счет вынужденного излуче-
ния фотонов сигнала накачки. Для подавления шумов, вызванных
спонтанным излучением фотонов при усилении полезного сигнала за
отрезком ОВ включается оптический вентиль. Затем, с помощью
разветвителя, 5% световой энергии сигнала отбирается для регули-
ровки тока накачки, управляющего лазером накачки, а 95% энергии
сигнала поступает на вход заграждающего фильтра. Фильтр заграж-
дает сигнал лазера накачки с длиной волны Хн, и обеспечивает про-
пускание полезного оптического сигнала.
Структурная схема ВОУ приведена на рис. 2.13. Длина легирован-
ного эрбием отрезка ОВ определяет диапазон длин волн, в котором
происходит усиление оптического сигнала, и может варьироваться от
4 до 200 м, обеспечивая ширину диапазона длин волн от 6 до 18 нм.
Для получения более широкого диапазона (от 24 нм — X = 1576 -
1600 нм, или от 30 нм X = 1530-1560 нм) применяется последова-
тельное включение двух ВОУ: первый с X = 0,98 мкм, второй с
Хн= 1,48 мкм, образующих единый оптический усилитель. Парал-
лельное включение двух таких усилителей обеспечивает расширение
диапазона усиливаемых длин волн до 70 нм.
Оптические усилители обладают линейной характеристикой уси-
лителя, низкими потерями и обеспечивают усиление в диапазоне
10...30 дБ.
65
8$
Рис. 2.13. Структурная схема волоконно-оптического усилителя
Основными рабочими параметрами ВОУ являются: коэффициент
усиления полезного сигнала, мощностью насыщения; коэффициент
шума; диапазон длин волн и максимальная мощность на выходе
(табл. 2.5). Первые три параметра характеризуют линейные и предвари-
тельные ВОУ, а последний наиболее важен для усилителей мощности.
Т а б л и ц а 2.5. Параметры волоконно-оптического усилителя
Наименование параметра Значение параметра на длине волны Примечание
1,3 мкм 1,55 мкм
Коэффициент усиления полезного сигнала 20 дБ 20...30 дБ Для пред-и линейных ВОУ
Мощность насыщения -12...-18 дБм -10...-15 дБм
Коэффициент шума 3...4дБ 4...9ДБ
Максимальная мощность на выходе ВОУ 20 дБм 10...30 дБм
Диапазон длин волн 1,275...!,350 мкм 1,53...1,56 мкм
Контрольные вопросы
1. Назовите типы источников излучения, их достоинства и недостатки.
2. Начиная с какого значения тока смещения обеспечивается режим
стимулированного излучения лазерного диода?
3. Назовите типы фотодиодов и приемников оптических сигналов,
основные составляющие шумов в приемниках.
4. В чем состоит отличие оптических разветвителей от оптических
переключателей?
5. Укажите назначение оптического вентиля и разветвителя в схеме
волоконно-оптического усилителя.
67
Глава 3
КОНСТРУКЦИЯ И ТИПЫ
ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
3.1. Конструкция оптических волокон
3.1.1. Сердцевина и отражающая оболочка
Оптическое волокно состоит из сердцевины и отражающей обо-
лочки, изготовленных из кварцевого стекла. Еще в процессе вытяж-
ки на него наносится первичное защитное покрытие. В случае необ-
ходимости волокно с первичным покрытием помещается в защитную
оболочку.
Оптическое волокно (ОВ) представляет собой нить из особо чис-
того кварцевого стекла, обеспечивающего распространение светово-
го сигнала с очень низкими потерями. Конструкция оптического во-
локна показана на рис. 3.1. С точки зрения передачи сигналов ОВ
представляет собой диэлектрический волновод, работающий в опти-
ческом диапазоне волн. Канализация распространения света создает-
ся путем скачкообразного или плавного изменения показателя пре-
ломления (диэлектрической проницаемости) кварцевого стекла в
поперечном сечении волновода. В оптическом диапазоне частот при-
нято употреблять понятие показателя преломления (и) вместо диэлек-
трической проницаемости, которые количественно связаны между со-
бой соотношением
{((О
125 мкм 250 мкм
Рис. 3.1. Конструкция оптического волокна:
1 — сердцевина; 2 — отражающая оболочка; 3 — первый слой первичного
покрытия; 4 — второй слой первичного покрытия
68
где £— относительная диэлектрическая проницаемость. Здесь и да-
лее в пособии через п обозначается абсолютный (фазовый, в отличие
от группового) показатель преломления равный отношению
Численное значение показателя преломления кварцевого стекла за-
висит от длины волны. Как световодная система ОВ состоит из сер-
дцевины и отражающей оболочки, далее просто оболочки.
Сердцевина — это область в центре волокна, показатель прелом-
ления которой больше, чем у оболочки, и в которой распространяется
большая часть энергии светового сигнала.
Оболочка — это область волокна вокруг сердцевины, которая
чаще всего изготавливается с постоянным и всегда более низким,
чем у сердцевины, показателем преломления. Граница двух областей
с более высоким и низким показателями преломления создает свето-
водную структуру, удерживающую большую часть света в зоне сер-
дцевины.
Световодом может быть и более простая конструкция, например,
сердцевина из стекла и оболочка из окружающего воздуха. Подобный
световод используется при подсветке струй фонтана, где сердцевиной
служит струя воды а оболочкой воздух. Однако световод такой конст-
рукции не может быть использован для передачи сигналов. В нем будут
большие потери вследствие загрязнения поверхности стекла пылью и
водяным конденсатом, а также будет обладать малой пропускной спо-
собностью из-за большой величины дисперсии, см. п. 3.3.
Наличие кварцевой оболочки имеющей показатель преломления
чуть меньше (не более нескольких процентов), чем у сердцевины,
приводит к трем последствиям, два из которых положительны:
— уменьшает потери световой энергии;
— уменьшает дисперсию (уменьшает уширение передаваемых
импульсов), и одно отрицательно:
— уменьшает долю энергии, захватываемой сердцевиной от источ-
ника излучения.
Номенклатура и свойства оптических волокон определяются зако-
ном изменения показателя преломления в поперечном сечении серд-
цевины, величиной разности показателей преломления в центре сер-
дцевины и оболочки, а также диаметром сердцевины и толщиной
оболочки.
69
Для сохранения параметров передачи ОВ при их упаковке в ка-
бель, а также в процессе прокладки и эксплуатации кабеля, оптичес-
кие волокна необходимо защитить от механических воздействий. Для
этого на ОВ наносится первичное защитное покрытие, а также ис-
пользуются защитные оболочки.
3.1.2. Первичное защитное покрытие и
защитные оболочки оптических волокон
Первичное покрытие обычно изготавливается двухслойным. Внут-
ренний слой делается мягким для демпфирования механической на-
грузки, действующей на волокно, и для облегчения снятия первично-
го покрытия. Наружный слой делается твердым для устойчивости к
абразивным воздействиям. Показатель преломления материала пер-
вичного покрытия берется большим, чем у отражающей оболочки для
поглощения в ней нежелательных световых волн, распространяющих-
ся по отражающей оболочке.
Волокна с первичным покрытием непригодны для большинства
применений без дополнительной защиты от механических воздей-
ствий. Это достигается за счет применения защитных оболочек и
использования в конструкции кабеля специальных упрочняющих эле-
ментов.
Волокна с первичным защитным покрытием могут иметь дополни-
тельные защитные оболочки в виде полимерной модульной трубки, в
которой волокна лежат свободно рис. 3.2, модульной ленты рис. 3.3
или защитная оболочка непосредственно наносится на первичное по-
крытие, так называемая оболочка типа плотный рис. 3.4 или усилен-
ный буфер рис. 3.5.
Модульную трубку, заполненную гелием, с одним оптическим во-
локном называют одноволоконным оптическим модулем рис. 3.2, а
Рис. 3.2. Одноволоконный
оптический модуль:
1 — оптическое волокно с первич-
ным покрытием; 2 — полимерная
модульная трубка
с несколькими волокнами — много-
волоконным оптическим модулем.
Каждое волокно в модуле и сам мо-
дуль имеют цветной код для иденти-
фикации.
Конструкция с размещением в
модульной трубке одного оптическо-
го волокна позволяет обращаться с
ним также как с медной жилой в
электрическом кабеле. Внутреннее
покрытие трубки имеет низкий ко-
70
2
Рис. 3.3. Ленточный
модуль:
1 — оптические волокна
с первичным покрытием;
2 — плимерная лента
эффициент трения, а внешнее имеет вы-
сокую прочность для защиты от механи-
ческих воздействий. Трубки имеют диа-
метр от 1,4 до 2,2 мм. Чем больше
диаметр трубки, тем больше допускае-
мые усилия на растяжение. Обычно по
экономическим соображениям одноволо-
конная трубка используется при емкости
кабеля до 14 оптических волокон, при
большей емкости кабеля используются
многоволоконные трубки диаметром от
2,4 до 3,0 мм.
Другим видом усовершенствования одноволоконного модуля с
точки зрения плотности упаковки волокон является ленточная конст-
рукция. Ленточная конструкция позволяет производить одновременную
сварку нескольких волокон, что убыстряет процесс монтажа в случае
большого числа волокон в ОКС. При ленточной конструкции два или
более волоконных световода объединяются в одной плоскости парал-
лельно друг другу с одинаковым шагом в единый многосветоводный
Рис. 3.4. Оптическое волокно в оболочке типа плотный буфер:
1, 2 — соответственно сердцевина и оболочка волокна; 3 — первичное защитное
покрытие; 4 — защитная оболочка типа плотный буфер
Рис. 3.5. Оптическое волокно в
оболочке типа усиленный буфер:
1 — оптическое волокно с первичным
покрытием; 2 — упрочняющий элемент;
3 — защитная оболочка
71
модуль. Эти ленточные модули могут быть объединены в стопку с пря-
моугольным профилем или заключены в пазы профильного сердечни-
ка оптического кабеля, см. п. 5.2.
Защитные оболочки типа полимерная модульная трубка или лента
применяются в кабелях для наружной прокладки, а типа плотный или
усиленный буфер для прокладки внутри помещений.
3.2. Два подхода к объяснению процесса
распространения света в оптических
волокнах
Исходя из двойственной природы света процесс распространения
светового излучения в световодах можно изучать, используя методы
геометрической оптики (лучевой подход) или волновые уравнения
электромагнитного поля (электромагнитный подход). Для расчета
электромагнитных процессов в световодах используют ряд математи-
ческих моделей, отличающихся друг от друга сложностью математи-
ческого аппарата и наглядностью. В первую очередь стремятся ис-
пользовать наиболее простые в математическом плане модели,
обладающие наибольшей наглядностью. При необходимости учета бо-
лее сложных деталей процесса распространения света в световоде
переходят к использованию более сложных математических моделей.
Лучевой подход основан на представлении источника излучения и
светового луча соответственно в виде точки и линии. Лучевой под-
ход наглядно показывает процессы распространения света по свето-
водам, однако им можно пользоваться только при соблюдении усло-
вия малости длины волны по сравнению с радиусом сердцевины
волокна. Поэтому лучевой моделью можно пользоваться при изуче-
нии распространения света в многомодовых волокнах, где указанное
условие соблюдается.
В случае одномодовых волокон требуется электромагнитный под-
ход, т.е. решение волновых уравнений при заданных граничных ус-
ловиях. Электрические сигналы передаются по оптическому волокну
в результате возбуждения в них световых волн. Под волной понима-
ется процесс распространения состояния или его возбуждения без
фактического переноса массы или вещества самой среды. В случае
световой волны состояние — это электромагнитный процесс, распро-
страняющийся в светопропускающем веществе. Количественный ана-
лиз электромагнитных процессов проводится на основе уравнений
Максвелла. Волновые уравнения получаются из уравнений Максвел-
72
ла и характеризуют закон изменения векторов напряженности элект-
рического и магнитного поля для гармонических процессов. Про-
стейшим случаем волнового процесса является плоская волна. Плос-
кой называют такую волну, при которой в электромагнитном поле
можно провести ряд параллельных плоскостей, перпендикулярных на-
правлению распространения волны так, чтобы вектора Е и Н — об-
щепринятое обозначение соответственно векторов электрического и
магнитного поля — лежали в этих плоскостях и сохраняли как свое
значение, так и направление вдоль всей плоскости. Так как волновые
уравнения линейны, то общее решение уравнения является суперпо-
зицией всех плоских волн, распространяющихся в любых направле-
ниях. Понятие плоской волны при изучении электромагнитных волн
имеет такое же фундаментальное значение, как и гармонических (си-
нусоидальных) колебаний при изучении изменяющихся во времени
сложных процессов.
При лучевом подходе распространение света по волокну трактует-
ся как различные траектории лучей. При электромагнитном подходе
этим лучам соответствуют различные типы волн (моды). Термин мода
представляет собой физическое и математическое понятие, связанное
с определенным типом электромагнитной волны. Мода оптического
волокна, как физическое понятие, характеризует тип волны оптичес-
кого излучения, распространяющегося по ОВ и характеризующегося
определенной структурой поля в его поперечном сечении и опреде-
ленной фазовой скоростью. С математической точки зрения мода —
каждое из решений уравнений Максвелла. В зависимости от разме-
ров и физических характеристик световода в нем возможно распро-
странение нескольких мод или только одной моды. В первом случае
световод называется многомодовым, во втором — одномодовым.
Электромагнитный подход, как более общий, дает ответы на вопросы,
которые невозможно получить в рамках лучевого подхода, например,
объяснение природы волноводной дисперсии, см. п. 3.3.5.
В общем случае в волоконном световоде могут существовать три
типа волн — направляемые, излучаемые и вытекающие. Направляе-
мые — это волны, распространяющиеся по сердцевине световода
(те из введенных в торец световода лучей, которые падают на границу
раздела сред под углом, большим угла полного внутреннего отраже-
ния). Излучаемые волны (лучи) возникают за счет лучей, введенных
вне апертуры, и уже в начале линии они излучаются в окружающее
пространство. Промежуточное положение занимают вытекающие вол-
ны (лучи оболочки). В этом случае энергия частично распространя-
73
ется вдоль световода, а часть излучается в окружающее простран-
ство. Волны излучения и волны оболочки — паразитные волны, ко-
торые отбирают энергию источника возбуждения и уменьшают полез-
ную энергию, передаваемую по сердцевине при значительных
расстояниях и оказывают влияние на точность измерения затухания
методом вносимого затухания.
3.2.1. Лучевой подход
Основная его идея заключается в том, что в оптическом диапазоне
частот с достаточно большой точностью распространение волн можно
представить как движение энергии волн по лучам, описываемым с
помощью геометрических соотношений. Анализ распространения
света в лучевом приближении составляет предмет геометрической
оптики.
Напомним основные законы геометрической оптики:
1. При отражении от зеркальной поверхности угол падения (ф.)
равен углу отражения (фг), рис. 3.6.
2. При распространении луча от одной однородной среды с пока-
зателем преломления в другую с показателем преломления п2, на
границе раздела сред луч преломляется. Углы падения (ф(.) и прелом-
ления (ф5) связаны соотношением
sin<p/sin<pr =
(3.1)
Еслил2< лр то из соотношения (3.1) следует, что фг> фг Поэтому
увеличивая угол падения ф,, получим угол преломления ф5= 90° (пре-
ломленный луч скользит вдоль гра-
ницы раздела сред), при ф; < 90°,
значение которого принято называть
предельным углом падения (ф^). Из
(3.1) также следует, что имеется
простая связь между углом ф^ и по-
казателями преломления сред в виде
соотношения
Фир = arcsin^j/nj). (3.2)
При углах падения ф;> ф^ имеет
место полное внутреннее отражение,
Рис. 3.6. Отражение и
преломление лучей на
границе раздела двух сред
когда преломленный луч отсутствует
и вся энергия сосредоточена в от-
раженном луче, на этом явлении и
74
основан процесс удержания света внутри волоконного световода.
Полное внутреннее отражение может происходить только тогда,
когда луч света распространяется из оптически более плотной среды
в оптически менее плотную и никогда не происходит в обратном
случае.
У реальных оптических волокон, вследствие малой разности пока-
зателей преломления сердцевины п} и оболочки п2, луч света проника-
ет, а следовательно и распространяется по оболочке ОВ даже при углах
падения ф(. > (рпр, см. рис. 3.7. Глубина проникновения волн в оболоч-
ку уменьшается при увеличении угла падения, при этом отраженная
волна приобретает фазовый сдвиг, зависящий от угла падения. Г дуби-
на проникновения (8), т.е. расстояние, на котором плоская волна осла-
бевает в е = 2,71 раза при <р.> ф^ определяется выражение:
(3.3)
где X — длина волны.
Рис. 3.7. Скачок фазы на
границе раздела двух сред
Полное внутреннее отражение плоской волны на границе раздела
двух сред сопровождается теми же эффектами, что и отражение от
металлической плоскости, смещенной на некоторое расстояние У о т
поверхности раздела. Поток энергии из первой среды во вторую в
среднем равен нулю, поэтому энергия падающей электромагнитной
волны полностью возвращается в первую среду при условии отсут-
ствия потерь энергии во второй среде.
В пособии на рисунках, иллюст-
рирующих процесс распространения
лучей вдоль оси волокна, скачок
фазы не показывается, но о нем не-
обходимо помнить для правильной
оценки физических процессов, про-
исходящих при распространении све-
та в оптических волокнах.
Пример. Рассчитать предельный
угол падения ф^ и глубину проник-
новения 5 плоской волны при ее рас-
пространении из среды с показате-
лем преломления = 1,480 в среду
75
п2 = 1,475 при угле падения ф( = 88° и длине волны X = 1,3 мкм.
Из выражения (3.2) предельный угол падения равен
фпп = arcsin— = arc sin = arcsin0,9966; фпп = 85,2°.
пр И1 1,480 пр
Из выражения (3.3) глубина проникновения поля во вторую среду
равна
2
sm ------
п2
у 2тг-1,48^0,998-0,993
7
= 1,98 мкм.
Входная угловая и числовая апертура световода. Используя
лучевой подход, рассмотрим распространение световых волн по во-
локну, у которого показатель преломления сердцевины п, и оболочки
п2 не изменяется по сечению (ступенчатый профиль). Лучи света в
рассматриваемом волокне распространяются по ломаным прямым
линиям, испытывая полное внутреннее отражение в местах падения на
границу раздела сердцевина-оболочка (рис. 3.8). В зависимости от
размеров источника излучения и его положения относительно оси
волокон могут распространяться два типа лучей: меридиональные,
распространяющиеся в плоскостях и пересекающие ось световода, и
косые, не пересекающие ось световода и распространяющиеся
по ломаным право или левовинтовым спиральным линиям
Рис. 3.8. Распространение лучей
в многомодовом волокне со
ступенчатым профилем:
1 — сердцевина; 2 — оболочка;
3 — световой конус захвата лучей
(рис. 3.9). Косые лучи быстро рас-
сеиваются на изгибах оптического
волокна и поэтому их можно не
учитывать.
Используя законы геометричес-
кой оптики, определим максималь-
но возможный угол 0тах, рис. 3.8,
при котором свет из окружающей
среды с показателем преломления
п может быть захваченным, т.е.
будет распространяться вдоль оси
световода. Этот угол принято назы-
вать входной угловой апертурой
световода.
76
Рис. 3.9. Распространение
лучей не пересекающих ось
световода
На практике более часто исполь-
зуется не численное значение угла
0 , а значение синуса этого угла,
называемое числовой апертурой. Это
объясняется тем, что при лучевом
подходе способность световода вос-
принимать световую энергию от ис-
точника излучения характеризуется
числовой апертурой (NA), представ-
ляющей собой произведение показа-
теля преломления среды пс, из кото-
рой луч падает на торец световода, на синус максимального угла
падения лучей, который соответствует модам, распространяющимся
по сердцевине.
Условие полного внутреннего отражения представляет условие па-
дения на входной торец волоконного световода, при котором проис-
ходит захват лучей сердцевиной волокна. Для меридиональных лучей
(см. рис. 3.8), согласно соотношению, (3.1) имеем:
Hc-sin0 = Mj-siny,
(3.4)
учитывая, что при угле падения лучей 0 = 0тах угол ф = фпр, а угол
у = (л/2) - ф^ из равенства (3.4), имеем
NA = ncsinOmax = пс^п2 -п22 •
(3.5)
Если лучи падают из воздушной среды (ис=1), то
NА - -^п2 -п2 ; (3-6)
9шах = wvsiny/nf -п2. (3.7)
С увеличением разности между показателями преломления серд-
цевины и оболочки возрастает значение числовой апертуры NA, что
улучшает эффективность ввода света от источника излучения в во-
локно. Однако волокна с большей числовой апертурой имеют и боль-
шую дисперсию, что является отрицательным фактором.
77
Из всех лучей, падающих на торец волокна в пределах апертуры,
вдоль оси волокна будут распространяться лишь те, которые в ре-
зультате многократных отражений от границ интерферируют в фазе,
т.е. не подвергаются «самогашению». При электромагнитном подходе
этим лучам соответствуют моды, которые в поперечном сечении
волокна образуют стоячую волну (свет замкнут в сердцевине во-
локна).
Пример. Рассчитать входную, угловую и числовую апертуру све-
товода с показателем преломления сердцевины п, = 1,47 и оболоч-
ки п2 = 1,46 при падении света на торец волокна из воздушной
среды.
Из выражений (3.6) и (3.7) получим
NA = “ п2 = Ф>47 2 - i>46 2 = 0,171; 0шах = 9,85 ° •
3.2.2. Электромагнитный подход
Необходимым условием распространения света в оптическом
волокне в рамках лучевого подхода является требование падения
лучей на торец ОВ в пределах входной угловой апертуры. Однако
это условие не является достаточным, так как только часть из
этих лучей будут распространяться вдоль оси световода. Элект-
ромагнитный подход позволяет точно рассчитать число мод (лу-
чей), которые могут распространяться по световоду. Расчет под-
разумевает совместное решение волновых уравнений для
сердцевины и оболочки оптического волокна с учетом граничных
условий.
Для того, чтобы не делать расчет для каждого световода отдельно,
а получить характеристики, присущие определенному типу светово-
дов (например, для ступенчатого профиля), вводят понятие нормиро-
ванной (характеристической) частоты. Нормированная частота являет-
ся обобщенной характеристикой световода, поскольку зависит не
только от геометрических и оптических характеристик световода, но
и от длины волны источника излучения.
Для правильной эксплуатации волоконных световодов, а также
нормирования разброса длин волн лазерных источников излучения,
необходимо знать наименьшую эксплуатационную длину волны, на-
зываемую критической длиной волны волоконного световода, при
которой может распространяться только одна фундаментальная мо-
78
да. Один и ,тот же световод для длин волн, выше критической
длины волны, работает в одномодовом режиме, а для длин волн
ниже критической длины волны работает в многомодовом ре-
жиме.
Для оптического волокна со ступенчатым профилем нормирован-
ная частота равна
ТЛ 2ла I 2 2
, (3.8)
л
где а — радиус сердцевины оптического волокна;
X — рабочая длина волны;
пр п2— показатель преломления соответственно сердцевины и обо-
лочки.
Число мод (2V) при ступенчатом профиле показателя преломления
приблизительно равно
V2
—. (3.9)
Из выражения (3.8) видно, что значение V может быть уменьшено
за счет уменьшения диаметра сердцевины и разности показателей
преломления и увеличения рабочей длины волны.
Когда нормированная частота при ступенчатом профиле световода
меньше критического значения И = 2,405, волокно поддерживает
распространение только одной фундаментальной моды. Волокно, в
котором может распространяться только фундаментальная мода, на-
зывается одномодовым. Вследствие поляризации света фундаменталь-
ная мода может существовать в двух ортогональных поляризациях.
Влияние поляризации необходимо учитывать при скорости передачи
2,5 Гбит/с и выше, см. п. 3.3.
Пример. Определить теоретическую критическую длину волны
(Хс) для одномодового волокна со ступенчатым профилем, имею-
щим диаметр сердцевины 2а = 8,3 мкм и числовую апертуру
NA = 0,12.
2ла Г~2 8,3
Л =-----Ап, -п7=л--------0,12= 1,301 мкм.
с Vc У 1 2 2,405
79
3.3. Причины ограничения дальности
и скорости передачи по оптическим
волокнам
При передаче импульсных сигналов по оптическому волокну их
амплитуда уменьшается и искажается форма (они уширяются). Огра-
ничение дальности связи по оптическим кабелям, также как и по
металлическим кабелям, обуславливается затуханием и ограничением
полосы частот (F) (дисперсией) передаваемого импульсного сигнала
(рис. 3.10). Затухание приводит к уменьшению амплитуды передава-
емого сигнала на выходе оптического волокна, а дисперсия приводит
к уширению (размыванию) импульсных сигналов, см. п. 3.3.3. Зави-
симость затухания и дисперсии от электрических параметров среды
можно получить, рассматривая распространение в ней плоских волн.
Рис. 3.10. Влияние затухания и полосы пропускания световода на
форму импульсов:
а — нет потерь и бесконечно большая полоса пропускания; б — имеются
потери и ограничена полоса частот
3.3.1. Распространение плоских волн
в проводящих и диэлектрических средах
Любая среда с точки зрения условий распространения в ней
плоских электромагнитных волн характеризуется коэффициентом
распространения волны в среде к и волновым сопротивлением
среды ZB.
80
Коэффициент к в общем случае является комплексной величиной,
ее действительная часть ас характеризует затухание векторов напря-
женности электрического и магнитного поля, и поэтому называется
коэффициентом затухания; ее мнимая часть Рс, характеризующая
фазу, носит название коэффициента фазы.
Численное значение коэффициента распространения плоской вол-
ны в любой однородной среде зависит от ее электрических парамет-
ров и определяется выражением
к = ас + JPC = yljci)/d((J + jd)E), (3.10)
где со — круговая частота колебаний;
Е — абсолютная диэлектрическая проницаемость среды;
ц — абсолютная магнитная проницаемость среды;
о — удельная проводимость среды.
Волновое сопротивление среды определяется выражением
_ I
.
у а + joje
(З.И)
Для идеального однородного диэлектрика, у которого о = 0 коэф-
фициент распространения волны из выражения (3.10 ) равен
к - ас+JPC = ja>yj/d£; ас = 0;/Зс = co-J/je. (3.12)
При расчете волнового сопротивления диэлектрика его проводи-
мостью можно пренебречь, тогда из (3.11) имеем
ZB = E/H = fiJe, (3.13)
т.е. в любой точке поля плоской волны отношение напряженности
электрического поля к напряженности магнитного поля постоянно.
Из выражения (3.12) следуют два практически важных вывода:
— в отношении процесса распространения электромагнитных волн
идеальный диэлектрик является прозрачной средой, так как не вносит
затухания;
— в однородном идеальном диэлектрике нет дисперсии передава-
емого сигнала, так как скорость распространения электромагнитных
волн различной частоты одинакова и равна и = со/0 = 1/^/це , если
диэлектрическая проницаемость среды не зависит от частоты.
Сверхчистое кварцевое стекло, используемое для изготовления
оптических волокон, является практически идеальным диэлектриком,
тем не менее волокна обладают затуханием. Это объясняется тем, что
81
при частотах оптического диапазона необходимо учитывать поглоще-
ние и рассеяние света. Диэлектрическая проницаемость кварцевого
стекла незначительно, но изменяется с частотой, поэтому скорость
распространения электромагнитных колебаний зависит от частоты, что
вызывает дисперсию передаваемого сигнала.
Физические процессы, вызывающие затухание и дисперсию в
оптических волокнах, отличаются от аналогичных процессов в ка-
бельных цепях. Это обусловлено тем, что в металлических цепях
основной причиной затухания и дисперсии является проводящая сре-
да (кабельные жилы). В оптических волокнах проводящая среда от-
сутствует, поэтому величины их затухания и дисперсии значительно
меньшие по сравнению с аналогичными параметрами кабельных
цепей.
Цепи в электрических кабелях и оптические волокна в оптических
кабелях представляют собой разновидности направляющей системы,
служащей для канализации электромагнитных волн в заданном на-
правлении. В обоих случаях распространение поля в заданном на-
правлении обеспечивается наличием границы между средами с раз-
ными электрическими параметрами. В электрических цепях одной
средой служит диэлектрик (воздух, полиэтилен и т.п.), а другой —
металлический проводник. Полезная энергия от генератора к прием-
нику передается по окружающей проводники диэлектрической среде.
По металлическим проводникам энергия не передается, они служат
только для возбуждения электромагнитной волны и создания грани-
цы, вызывая при этом большие потери энергии и большую дис-
персию.
3.3.2. Затухание оптических волокон
Затухание сигналов. Одним из факторов, ограничивающих даль-
ность оптической связи, является затухание сигналов. Кварцевое
стекло хотя и незначительно, но загрязнено, а также имеет добавки
для изменения показателя преломления сердцевины или оболочки ОВ,
что вызывает потери мощности сигнала на поглощение и рассеяние.
Германий и фосфор увеличивают показатель преломления кварцевого
стекла, а бор и фтор — наоборот уменьшают его.
При поглощении происходит преобразование световой энергии в
тепловую. Потери на поглощение состоят из собственного поглоще-
ния в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра и поглоще-
ния световых квантов ионами металлов переходной группы (железа,
кобальта, хрома, никеля, меди) и ионами гидроксильных групп, пред-
82
ставляющих вредные примеси в плавленном кварцевом стекле, из
которого изготовляют волокна. Например, медь при концентрации
одна часть на миллион основного вещества вызывает затухание в
несколько сотен децибел на километр в диапазоне длин волн 0,8 мкм,
а такая же концентрация ионов ОН обуславливает затухание 35 дБ/км
при длине волны 1,39 мкм. В зависимости от вида примеси особенно
большое поглощение имеет место при определенных длинах волн, что
может быть использовано для определения вида и контроля количе-
ства примесей в плавленном кварце.
Процесс рассеяния сводится к генерации вторичных волн молеку-
лами или частицами под действием падающего на них излучения.
Если линейные размеры частицы меньше, чем примерно 1/15 длины
волны, то рассеяние называется рэлеевским. Эффект рэлеевского
рассеяния проявляется в том, что при распространении световых
лучей в волокне они отклоняются от лучевого направления (в одно-
родной среде от прямолинейного направления). При этом угол паде-
ния луча на границу сердцевина-оболочка может стать меньше угла
полного внутреннего отражения, и луч выйдет из волокна. По анало-
гичной причине часть лучей может начать распространяться в обрат-
ном направлении. Интенсивность рэлеевского рассеяния обратно про-
порциональна четвертой степени длины волны. Поэтому при передаче
световых сигналов предпочтительно использовать более длинные вол-
ны в районе 1,55 мкм.
Суммарные потери на рэлеевское рассеяние и собственное погло-
щение технически чистых материалов представляет собой нижний
предел потерь, которого можно достичь в световодах.
На рис. 3.11 приведена спектральная зависимость потерь одномо-
дового световода, легированного германием, где показаны экспери-
ментальная кривая 1 и теоретические
кривые инфракрасного 2, ультрафиоле-
тового поглощения 3, рэлеевского рас-
сеяния 4. Как видно из рисунка, в длин-
новолновой области спектра имеются
два окна прозрачности — на длинах
волн 1,3 и 1,55 мкм. Поэтому эти длины
волн используют в современных опти-
ческих системах дальней связи. Теоре-
Рис. 3.11. Зависимость
затухания одномодового
волокна от длины волны
тический минимум потерь для кварце-
вых ОВ на длине волны X = 1,55 мкм
около 0,14 дБ/км. При передаче по мно-
83
гомодовым волокнам используется первое окно прозрачности X =
0,85 мкм и второе — X = 1,3 мкм. Кварцевое стекло существенно
поглощает свет на длинах волн свыше 1,6 мкм, что и обуславливает
рост затухания в области длинных волн.
Особенность оптического волокна, как направляющей системы,
состоит в том, что в ней возникают дополнительные потери энергии
передаваемого сигнала из-за нарушения геометрии волокна и микро-
изгибов, связанных с нанесением защитного покрытия и скруткой, а
также макроизгибов кабеля.
Потери на изгибах. Пояснение возникновения потерь на изгибе
дано на рис. 3.12. На прямолинейном участке луч света распростра-
няющийся под углом ф] большим чем предельный угол фпр может
падать на изгибе на границу сердцевина-оболочка под углом
Ф2 < фпр. Угол ф2 уменьшается с уменьшением радиуса изгиба, поэто-
му потери на изгибе возрастают с уменьшением радиуса.
Потери на изгибах подразделяются на два вида: потери на микро-
изгибах и потери на макроизгибах. Снижение потерь на микроизгибах
связано с совершенствованием технологии производства оптическо-
го волокна.
Микроизгибом волокна называется изгиб оптического волокна,
который влечет за собой смещение волокна порядка нескольких
микрон относительно его оси, обусловленное различием боковых
давлений на волокно по его длине Он может быть вызван механичес-
кими деформациями при изготовлении кабеля и его прокладки, а
также изменениями геометрических размеров материалов кабеля
вследствие изменений температуры окружающей среды в процессе
эксплуатации. Для уменьшения потерь, обусловленных микроизги-
бом, необходимо не допускать усилий, случайно прикладываемых к
волокну вдоль его оси при изготовлении кабеля, а также во время и
после прокладки кабеля. Макроизгиб волокна являет -
Рис. 3.12. Потери на изгибах
оптического волокна
ся результирующим искривле-
нием оптического волокна пос-
ле изготовления и прокладки
кабеля. Макроизгиб может выз-
вать увеличение оптических по-
терь. Оптические потери увели-
чиваются с уменьшением ра-
диуса изгиба. При правильной
прокладке кабеля его затухание
будет несколько меньше по-
84
сравнению со значением измеренным на барабане, за счет меньших
макроизгибов.
В реальных ОВ из-за большого числа случайных причин, приво-
дящих к резкому возрастанию потерь, основным методом игре деле-
ния затухания является его измерение. На заводах измеряют затухание
всех ОВ на заданной длине волны и данные измерений заносят в
паспорт.
3.3.3. Дисперсия импульсных сигналов
Одним из основных параметров, ограничивающих скорость пере-
дачи по любой направляющей системе является ее ширина полосы
пропускания. Количественно она может быть оценена с временной и
частотной точек зрения. Оба подхода обладают равной полнотой и
поэтому однозначно математически связаны. Другими словами зная
временные характеристики передаточной характеристики оптического
волокна можно рассчитать частотные и наоборот. Интуитивно более
понятен временной подход. На рис. 3.10, а иллюстрировано, что де-
лается с импульсом света после прохождения волокна с бесконечно
большой полосой пропускания. В этом случае при передаче импульса
через волокно происходит только уменьшение его амплитуды. Реаль-
ные волокна имеют не только затухание, но и ограниченную полосу
пропускания. В этом случае импульс на выходе изменяется не только
по амплитуде, но и по длительности за счет уширения (дисперсии) во
времени (рис. 3.10, б). Если дисперсия становится слишком боль-
шой, расширенные импульсы начинают перекрывать интервалы меж-
ду ними, вызывая межсимвольную интерференцию и связанные с ней
ошибки в работе цифровых систем передачи.
Термин «ширина полосы пропускания» относится к частотному
описанию передаточных характеристик оптического волокна, анало-
гом этого термина при временном описании является дисперсия.
Количественно ширина полосы пропускания обратно пропорциональ-
на дисперсии. Если полоса пропускания уменьшается, то дисперсия
увеличивается. Таким образом при частотном подходе оптическое
волокно подобно фильтру нижних частот. Ширина полосы пропуска-
ния оптического волокна — это частота модуляции света, при кото-
рой световая мощность уменьшается в два раза по сравнению с ве-
личиной при отсутствии модуляции.
В металлических кабелях симметричной и коаксиальной конструк-
ции ограничение полосы пропускания возникает из-за зависимости
затухания кабельной цепи от частоты. Для оптических волокон дей-
85
ствует совершенно иной механизм ограничения полосы пропускания,
а именно модовая и хроматическая дисперсии, которые будут рас-
смотрены ниже.
В оптике слово дисперсия означает зависимость показателя пре-
ломления вещества от длины волны, а в оптических системах свя-
зи — уширение световых импульсов после их прохождения через
дисперсионную среду. Уширение импульсов при передаче по ОВ
зависит от формы передаваемого импульса, ширины спектра частот
источника излучения (АХ) и собственно дисперсии волокна, под ко-
торой далее понимается рассеяние во времени модовых или спект-
ральных составляющих оптического сигнала из-за нелинейной зави-
симости Р и п от длины волны.
Дисперсию при передаче импульсов света через ОВ со скоростью
передачи ниже 2,5 Гбит/с условно можно представить состоящей из
трех составляющих:
— модовой дисперсии, обусловленной наличием нескольких мод,
каждая из которых распространяется со своей скоростью; при луче-
вом подходе неодинаковая длина пути отдельных лучей при их про-
хождении через ОВ\
— волноводной дисперсии, обусловленной нелинейной зависимо-
стью коэффициента фазы b данной моды ОВ от длины волны (часто-
ты) оптического излучения;
— дисперсии материала, связанной с нелинейной зависимостью
показателя преломления материала ОВ от частоты, приводящей к
различию фазовых скоростей распространения энергии у различных
спектральных составляющих сигнала.
Суммарную величину волноводной и материальной дисперсии
принято называть хроматической дисперсией.
Суммарное уширение импульсов (т) при распространении по во-
локну длиной L равно
т = + (Хв + (3 14)
где т , тв и ттат — уширение соответственно вследствие модовой, волно-
водной дисперсии и дисперсии материала.
3.3.4. Модовая дисперсия
Расчетные соотношения для указанной дисперсии наглядно и про-
сто получаются при лучевом подходе. Уширение импульса, переда-
ваемого по ОВ, за счет модовой дисперсии в этом случае опреде-
86
ляется как разность длин пути лучей, распространяющихся по наи-
кратчайшей и наидлиннейшей траекториям. Лучи света, введенные в
ОВ со ступенчатым профилем под углом к оси (рис. 3.13), из-за
многократных внутренних отражений на границе сердцевина-оболоч-
ка проходят более длинный путь по сравнению с лучами, распрост-
раняющимися вдоль оси ОВ. Наикратчайшим является путь, проходя-
щий вдоль оси волокна и равный длине линии L, а наидлинней-
ший — L/cos0max. Имея в виду, что скорость распространения света
в сердцевине v, = с/п} и cosQ^ =cos[(7t/2)-(pnp]=sin(pnp
можно рассчитать уширение /м на выходе волокна. Начало выходного
импульса совпадает с приходом луча, имеющего наиболее короткую
траекторию: Zmm = L/v}, а конец — с приходом луча, имеющего наи-
более длинную траекторию:
'max = L^Vl cos9max).
Отсюда уширение импульса
т =t пхЬ
vm (max (min
п2с С
(3.15)
где (п1-п2)/п2 ~ \п/п2 = А.
Как видно из выражения (3.15), уширение импульсов тем меньше,
чем меньше относительная разность А коэффициентов преломления
сердцевины и оболочки ОВ. Из этой же формулы следует, что ушире-
ние импульсов пропорционально длине линии. Однако последнее спра-
ведливо только при отсутствии взаимодействия между модами. В
реальных световодах при значительных длинах линии такое предполо-
жение ведет к большим погрешностям расчета модовой дисперсии.
Связь между модами в реальном ОВ, вызванная неоднородностями по-
казателя преломления, нерегулярностями геометрических размеров, на-
пряжениями изгиба и растяжения, микротрещинами, разъемными и не-
разъемными соединениями отрезков ОВ, всегда имеет место и
проявляется обменом энергии
между модами. При лучевом
подходе это эквивалентно изме-
нению углов наклона лучей к
оси световода при их распрост-
ранении вдоль него.
У входного торца световода
наблюдается довольно интенсив-
Рис. 3.13. Кратчайший и длиннейший
путь луча в оптическом волокне со
ступенчатым профилем
87
ное излучение мод, и соответственно стабилизируется модовая структура
в сердечнике световода. При этом лишь на некотором расстоянии от вход-
ного торца световода, называемом длиной установившейся связи между
модами (Лу), наступает относительно постоянное (равновесное) распреде-
ление мод, не зависящее от условий ввода излучения в световод.
Это расстояние может составлять от нескольких сот метров при
ступенчатом профиле ОВ до нескольких километров при градиентном
ОВ и зависит от материала и размеров сечения сердцевины ОВ, ха-
рактера и числа введенных в него мод.
Поэтому соотношение (3.15) при длине линии, превышающей дли-
ну Ly, имеет вид
(3.16)
Модовая дисперсия импульса может быть существенно уменьше-
на за счет соответствующего выбора профиля показателя преломле-
ния. При параболической зависимости показателя преломления лучи,
введенные в волокно под небольшим углом к оси, колеблются сину-
соидально относительно оси по мере распространения, и время рас-
пространения почти не зависит от угла вхождения луча, поскольку
околоосевые лучи проходят меньший путь, но распространяются в
среде с большим значением п, т.е. с меньшей скоростью, а перифе-
рийные лучи проходят более длинную траекторию, но в основном в
среде с меньшим п, т.е. с большей скоростью. Таким образом, сред-
нее время прохождения различных лучей через ОВ будет уравнено.
3.3.5. Волноводная дисперсия
Волноводная дисперсия — это расширение импульса, происходя-
щее при ограничении света направляющей структурой (волокном).
Тогда как почти вся световая энергия в многомодовом волокне скон-
центрирована в относительно большой сердцевине, в одномодовых
волокнах свет распространяется и в сердцевине и в оболочке. Един-
ственная направляемая мода поэтому может рассматриваться как рас-
пространяющаяся со скоростью, определяемой эффективным показа-
телем преломления, большим чем показатель оболочки, но меньшим
показателя сердцевины. Так как диаметр модового поля увеличива-
ется с ростом длины волны, то все больше энергии распространяется
в оболочке с малым показателем преломления. В результате получа-
ется расширение импульса, зависящее от структуры волокна, т.е. —
волноводная дисперсия.
88
В дисперсионной среде фазовая скорость распространения направ-
ляемых мод в пределах спектра излучения источника неодинакова,
что приводит к различной временной задержке частотных составля-
ющих этих мод. Рассматриваемая составляющая дисперсии обуслов-
лена волноводными свойствами волокна в предположении, что зна-
чения и п2 не зависят от X, и уширение импульса Тв= XLB(X), где
В( X) — удельная волноводная дисперсия.
Зависимость В( X) от длины волны для одномодового волокна со
смещенной дисперсией приведена на рис. 3.14 (кривая 1).
Рис. 3.14. Дисперсионные
характеристики одномодового
волокна со смещенной
дисперсией:
] — волноводная дисперсия;
2 — дисперсия материала;
3 — хроматическая дисперсия
3.3.6. Дисперсия материала
Дисперсию материала можно рассматривать как аналог расшире-
ния импульса при передаче его через большой блок стекла. Показа-
тель преломления кварцевого стекла изменяется в зависимости от
длины волны (подобно тому как стеклянная призма разлагает солнеч-
ный свет в цвета радуги,) и в результате этого различные длины волн
распространяются с разными скоростями. Материальная дисперсия
является основным механизмом, влияющим на хроматическую дис-
персию в одномодовых и градиентных многомодовых волокнах.
В случае дисперсионной среды необходимо различать так называ-
емые фазовую и групповую скорости света в среде.
Фазовая скорость уф дает соотношение между длиной волны и
периодом колебаний Т:
89
(3.17)
а групповая скорость у— между временем распространения света t
и расстоянием L в однородной среде:
t = L/vr .
Из теории связи известно, что
(3-18)
Уф = ©/₽ ,
(3-19)
d(£)
v'“¥
(3.20)
Аналогично ранее использованному фазовому показателю прелом-
ления п = c/v , вводится понятие группового показателя преломления
(А):
N = c/vr . (3.21)
Традиционно принято дисперсионные свойства оптических мате-
риалов характеризовать зависимостью показателя преломления от
длины волны в вакууме, т.е. п{ X).
Выражая величину N через п и X из формул (3.20)
получим:
(3.21),
d© d©
Далее с учетом
dn dn / dX
— =------iS ® =
d© d©/dX
dn
= п + (О— -п +
dco
2пс dn
X d©'
(3.22)
2пс d©_
dX~
2нс
и
(3.23)
выражение (3.22) можно переписать в виде:
N = n-A— .
dX
Тогда время распространения светового импульса (/) через во-
локно длиной L равно
( dn>
t = Ln=NLIc = {Llc) п-Х—
r dX Г
(3.24)
90
Если ичсточник излучения имеет ширину спектра АХ относительно
X, то уширение импульса
т
мат
= Х-^- = -Х—=XLM(X)
dX с dX
c dX
(3-25)
L, dN
. Xd2n
где М (Л) =----— — удельная дисперсия материала.
с dX
Зависимость M (X) от X показана на рис. 3.14 (кривая 2).
Доля различных составляющих в общей дисперсии зависит от
типа волокна. В ступенчатых ОВ при многомодовой передаче преоб-
ладает межмодовая дисперсии. В одномодовых волокнах материаль-
ная и волноводная дисперсия при определенных условиях могут вза-
имно компенсироваться, что обусловливает большую пропуск-
ную способность одномодового волокна. В градиентных многомодо-
вых ОВ необходимо учитывать межмодовую дисперсии и дисперсию
материала.
33.7. Поляризационная модовая дисперсия
В одномодовом волокне в действительности может распростра-
няться не одна мода, а две фундаментальные моды — две перпенди-
кулярные поляризации исходного сигнала. В идеальном волокне, в
котором отсутствуют неоднородности по геометрии, две моды рас-
пространялись бы с одной и той же скоростью, рис. 3.15, а. Однако
на практике волокна имеют не идеальную геометрию, что приводит к
различной скорости распространения двух поляризационных состав-
ляющих мод, рис. 3.15, б.
Главной причиной возникновения поляризационной модовой дис-
персии (тп) является некруглость сердцевины одномодового волокна,
возникающая в процессе изготовления или эксплуатации волокна.
Из-за относительно небольшой величины тп может учитываться
только в одномодовом волокне, причем когда используется передача
Рис. 3.15. Поляризационная модовая дисперсия:
а — волокно без дисперсии; б — волокно с дисперсией
91
широкополосного сигнала (скорость передачи 2,5 Гбит/с и выше).
В этом случае поляризационная модовая дисперсия становиться срав-
нимой с хроматической дисперсией. Поляризационная модовая дис-
персия может приводить к временным колебаниям амплитуды аналого-
вого видеосигнала. В результате ухудшается качество телевизионного
изображения или при передаче цифрового сигнала возрастает коэффи-
циент ошибок.
При производстве оптического волокна ведущие производители
нормируют коэффициент поляризационной модовой дисперсии (Т).
Он имеет размерность (nc/Voi), a tn растет с увеличением рассто-
яния L по закону тп = Т • VZ. Для учета вклада тп в результирующую
дисперсию следует добавить слагаемое в правую часть выраже-
ния (3.14).
3.4. Типы оптических волокон
Напомним, что волоконным световодом называется тонкий диэ-
лектрический волновод цилиндрической формы предназначенный для
передачи оптических сигналов. Он состоит из сердцевины из опти-
чески прозрачного материала с низким затуханием и оболочки также
из оптически прозрачного материала с показателем преломления,
меньшим чем показатель преломления сердцевины.
Главное отличие волоконного световода от кабельной пары зак-
лючается в том, что последняя используется для возбуждения элек-
тромагнитной волны, которая распространяется в окружающем жилы
пространстве, в то время как в случае волоконного световода волны
возбуждаются и распространяются внутри волоконного световода.
Волоконный световод изготовленный на основе плавленного кварца
называется оптическим волокном.
Оптические волокна могут быть классифицированы по двум пара-
метрам:
1. Числу распространяющихся мод.
2. Профилю распределения показателя преломления в поперечном
сечении сердцевины.
По числу распространяющихся в оптическом волокне мод они
подразделяются на одномодовые и многомодовые. Волокно с малым
диаметром сердцевины, по которому в рабочем диапазоне длин волн
может распространяться только одна фундаментальная мода, которая
хотя и может иметь две поляризации, называется одномодовым. Во-
локно с большим диаметром сердцевины по сравнению с длиной
волны распространяемого света, и в котором вследствие этого могут
92
распространяться две или большее число мод, называется многомо-
довым.
При рассмотрении изменений показателя преломления п волокон-
ного световода как функции радиуса используется термин профиль
распределения показателя преломления. Он определяет радиальное
изменение значений показателя преломления от оси волокна в серд-
цевине в направлении оболочки.
В настоящее время изготавливаются следующие профили распре-
деления показателя преломления в поперечном сечении сердцевины:
ступенчатый (для многомодовых и одномодовых волокон);
градиентный (для многомодовых волокон);
сегментный и треугольный (для одномодовых волокон).
Ступенчатый профиль. При ступенчатом профиле показатель
преломления пА одинаков по всему поперечному сечению сердцевины
и при переходе от сердцевины к оболочке показатель преломления
уменьшается ступенчато и остается неизменным в оболочке со значе-
нием п2, рис. 3.16, а. Ступенчатый профиль могут иметь как одномо-
довые, так и многомодовые волокна.
Одномодовые волокна со ступенчатым профилем изготавливаются
также с так называемой поглощающей оболочкой (рис. 3.16, б), име-
ющей провал показателя преломления оболочки. Здесь и далее на
рисунках профиля показываются изменения показателя преломления
вдоль радиуса только в пределах сердцевины и отражающей оболоч-
ки волокна без указания значений показателя преломления защитных
Рис. 3.16. Профили оптических волокон:
а — ступенчатый; б — ступенчатый с провалом в оболочке;
в — градиентный; г — сегментный; д — треугольный
93
оболочек, см. п. 3.1. В настоящее время многомодовые волокна со
ступенчатым профилем для использования в сетях связи не изготав-
ливаются.
При расчетах характеристик световодов вместо абсолютной разно-
сти показателей преломления принято использовать относительную
разность показателей преломления (А), которая определяется как:
2 2
. и, - и, и, - и,
А = -*----= —!----------
2«! П}
(3.26)
Последнее упрощение правомерно, так как у применяемых волокон
абсолютная разность п} -п2 не превосходит единиц процентов.
Основное отличие одномодовых волокон от многомодовых состоит
в существенно меньшем радиусе сердечника и меньшем значении отно-
сительной разности Л, в табл. 3.1 приведены характеристики типичных
одномодовых и многомодовых волокон.
Градиентный профиль. У оптических волокон с градиентным
профилем показатель преломления изменяется не ступенчато, а плав-
но. В этом случае сердцевина состоит из большого числа слоев кон-
центрических колец. При удалении от оси сердцевины показатель пре-
ломления каждого слоя снижается. Наилучшие характеристики имеют
оптические волокна, когда профиль показателя преломления (нг) опи-
сывается параболой, (рис. 3.16, в)
иг = н,[1-2 (г/а)2| Для Ъ^г<а, (3.27)
где — наибольшее значение показателя преломления в центре;
г — текущий радиус;
а — радиус сердцевины.
Именно за оптическими волокнами с параболическим профилем
закрепилось название градиентных волокон.
В отличии от ситуации со ступенчатым профилем, где свет отража-
ется от относительно резкой границы между сердцевиной и оптической
Таблица 3.1. Основные характеристики волокон
Волокно Диаметр, мкм Относительная разность Д, %
сердцевины оболочки
Одномодовое 863 125 0,3
Многомодовое 62,5 125 1
94
оболочкой, при параболическом профиле свет постоянно и более плав-
но испытывает отражение от каждого слоя сердцевины. При этом свет
изгибается в направлении к оси волокна и его траектория становится
синусоидальной.
Сегментный и треугольный профили показателя преломления.
В одномодовых волокнах при скорости передачи меньше
2,5 Гбит/с необходимо учитывать дисперсию материала и волновод-
ную дисперсию, подробности в п. 3.3. В диапазоне длин волн более
1,3 мкм эти два вида дисперсии в оптическом волокне имеют проти-
воположные знаки. Для одномодового волокна со ступенчатым про-
филем сумма дисперсий равна нулю при длине волны 1,3 мкм. Ну-
левую дисперсию при других длинах волн можно получить изменяя
величину волноводной дисперсии за счет изменения профиля. Это
привело к созданию волокон с сегментным и треугольным профилем
рис. 3.16, г, д, позволяющим в зависимости от его конкретной реа-
лизации получить волокна, у которых длина волны нулевой диспер-
сии равна 1,55 мкм (так называемые оптические волокна со сдвину-
той дисперсией), или получить волокна с малой величиной дисперсии
во всем диапазоне волн от 1,3 до 1,60 мкм (так называемые волокна
со сглаженной дисперсией), а также получить волокна со специально
подобранной величиной дисперсии в диапазоне длин волн от 1,53 до
1,56 мкм, предназначенных для спектрального уплотнения с примене-
нием легированных эрбием волоконных усилителей (см. п. 2.3), так
называемые волокна с ненулевой смещенной дисперсией.
3.5. Разновидности многомодовых волокон
и области их использования
Многомодовые волокна изготавливаются со ступенчатым профи-
лем, (рис. 3.16, а) и градиентные, (рис. 3.16, в). В настоящее время
для электросвязи изготавливаются только многомодовые градиентные
оптические волокна.
Они используются для удлинения ранее построенных на их основе
сетей, а также в локальных сетях и линиях передачи данных. Хотя
многомодовые волокна несколько дороже одномодовых, суммарные
затраты с учетом стоимости источников излучения, детекторов,
разъемных и неразъемных соединений получаются меньшими по
сравнению с одномодовыми волокнами.
Тип многомодовых волокон обозначается дробью, в числителе,
указывается диаметр сердцевины а в знаменателе — оболочки. На-
95
пример 50/125 означает, что диаметр сердцевины волокна равен
50 мкм, а диаметр оболочки — 125 мкм. Иногда это обозначение не
позволяет точно идентифицировать тип волокна, так как при одинако-
вых геометрических размерах оно может изготавливаться с различ-
ным относительным показателем преломления А, а следовательно и
числовой апертуры.
В табл. 3.2 приведены характеристики пяти типов многомодовых
волокон общего применения.
Многомодовые волокна в настоящее время изготавливаются для
использования только в одном окне на длине волны X = 0,85 мкм или
X = 1,3 мкм, а также в обоих окнах. В последнем случае ширина
полосы пропускания может быть равной в обоих случаях, но обычно
во втором окне она выше.
Волокна 50/125. Эти волокна были первыми волокнами, которые
предназначались для организации связи на значительные расстояния с
использованием лазерных источников излучения. В первой в СССР
междугородной ВОЛС, построенной в 1986 г. на участке Ленинград-
Волховстрой, были использованы волокна именно этого типа. В насто-
ящее время оно используется для удлинения или перемаршрутизации
существующих многомодовых магистральных линий, а также созда-
ния корпоративных локальных вычислительных сетей. Характеристики
этих волокон приняты за образец, относительно которых сравниваются
характеристики всех остальных типов многомодовых волокон.
В России многомодовые волокна 50/125 с числовой апертурой
NA = 0,2 используются в городских оптических кабелях для органи-
зации соединительных линий АТС, сельских кабелях и кабелях зоно-
вой связи. Передаточные характеристики некоторых оптических воло-
Таблица 3.2. Конструктивные характеристики многомодовых
градиентных оптических волокон
Диаметр (сердцевина/ оболочка), мкм Д, % Теоретическая числовая апертура Коэффициент широкополосное™, МГц • км
50/125 1,0 0,21 1500-1800
50/125 1,3 0,24 1400
62,5/125 1,9 0,29 600-100
85/125 1,7 0,27 800
100/140 2,1 0,31 500
96
кон на длине волны X = 1,3 мкм, производимых в России, приведены
в табл. 3.3.
Волокна 62,5/125. По мере снижения стоимости оптических воло-
кон стало привлекательным их использование на других участках
сети связи, в частности на магистральных участках сети местной
связи. Более неблагоприятные условия эксплуатации в сетях местной
связи потребовали разработки новых систем передачи с использова-
нием светоизлучающих диодов (СИД) вместо лазеров для обеспече-
ния большей температурной стабильности, надежности работы и мень-
шей стоимости. Эти волокна захватывают большую долю мощности
от СИД по сравнению с волокнами 50/125. Из рассматриваемых пяти
типов они имеют наименьшие вносимые потери на изгибах при рав-
ных прочих условиях. До недавнего времени это волокно имело
наиболее широкое использование в частных сетях связи при исполь-
зовании СИД в качестве источника излучения.
Их затухание незначительно больше, чем у волокон 50/125, но
значительно меньше, чем у волокон 100/140. Учитывая, что в неко-
торых случаях стоимость прокладки оптического кабеля в несколько
раз превышает стоимость самого кабеля, ожидается, что с лазерными
источниками излучения волокна 62,5/125 (при развитии существую-
щей сети) могут быть использованы для передачи данных со скоро-
стью превышающей 1 Гбит/с на коротких линиях внутри зданий и со
скоростью выше 200 Мбит/с при длине линии до 2 км (между зда-
ниями).
Возможность передачи на двух длинах волн позволяет предусмот-
реть развитие пропускной способности сети, например, вначале ис-
пользовать длину волны X = 0,85 мкм для передачи данных со ско-
Таблица 3.3. Передаточные характеристики отечественных
градиентных волокон 50/125 на длине волны
X = 13 мкм для кабелей различных сетей связи
Сеть Затухание, дБ/км Коэффициент широкополосное™, МГц. км
Городская 0,7; 1,0 Не менее 1000
Сельская 0,7; 1,0; 1,5 120
Зоновая 0,7; 1,0; 1,5 800
97
ростью 10 Мбит/с, а затем X = 1,3 мкм для передачи данных со
скоростью 100 Мбит/с.
В Россию эти волокна поставляются также для использова-
ния в сетях местной связи со следующими величинами затухания
(коэффициент широкополосности) в зависимости от длины волны:
при X = 0,85 мкм — 3,4 дБ/км (200 МГц«км); при X = 1,3 мкм —
1,0 дБ/км (500 МГц-км).
Одномодовые волокна дешевле, чем многомодовые. Однако бо-
лее высокая цена лазерных источников излучения приводит к более
высокой стоимости коротких линий передачи данных в зданиях по
сравнению с вариантом многомодового волокна плюс светоизлучаю-
щие диоды.
Волокна 85,5/125. Это волокно предназначено для использова-
ния в локальных вычислительных сетях. Его недостатком является
наибольшая чувствительность к изгибам с точки зрения вносимых
потерь. По этой причине оно не получило широкого использова-
ния.
Волокна 100/140. Предназначено для использования на коротких
участках сети низкоскоростной передачи данных, содержащей боль-
шое число коннекторов. Это волокно захватывает наибольшую долю
мощности от СИД из всех рассматриваемых. Оно наименее чувстви-
тельно к отклонениям от номинальных размеров коннекторов, но пос-
ледние несколько дороже из-за нестандартного размера оболочки во-
локна.
3.6. Разновидности одномодовых волокон
и области их использования
Интересно отметить, что одномодовые волокна были изготовлены
раньше, чем градиентные многомодовые волокна. Однако опыт их
использования в начале 1970-х годов был отрицательным и тогда же
сложилась точка зрения, что одномодовые волокна не пригодны для
практического использования из-за малости размеров сердцевины и
жестких допусков. Поэтому основное внимание специалистов было
переключено на разработку многомодовых волокон и доведение их
до практического использования. В результате последние имели ши-
рокое коммерческое использование в конце 1970-х и начале 1980-х
годов. Однако работы по технологиям одномодовых волокон не пре-
кращались и в результате они получили коммерческое использование
в 1984 г.
98
В настоящее время в сетях связи одномодовые волокна вытесняют
многомодовые и используются не только на участках магистральной,
зоновой сети связи, но и в сетях местной и корпоративной связи.
Мощным стимулом совершенствования технологий изготовления
одномодовых волокон является потребительский спрос и стандарти-
зация все большего числа технических характеристик волокон. Тен-
денцией развития оптических волокон с начала до середины 1980-х
годов было стремление уменьшить затухание волокон с целью увели-
чения длины регенерационного участка при умеренных потребностях
в росте скорости передачи до 10,5 Гбит/с. Затем в середине 80-х —
начале 90-х годов происходит смена тенденции и главным становится
обеспечение максимальной скорости передачи по одному каналу
волокна, которая была доведена до 2,5 Гбит/с.
В середине 90-х годов появились системы предачи со спектраль-
ным (волновым) уплотнением и оптические усилители, которые сти-
мулировали разработку специального одномодового волокна с нену-
левой смещенной дисперсией, позволяющего передавать сравни-
тельно большие мощности оптического сигнала при спектральном
уплотнении волокна. В эти же годы происходит резкое увеличение
трафика (ежегодный прирост: телефония — 10%, передача данных —
30%, Интернет— 100%).
Доступные в настоящее время для коммерческого использования
одномодовые волокна могут быть разделены на три обширные груп-
пы:
— стандартное волокно (волокно с несмещенной дисперсией), оп-
тимизированное для использования на длинах волн около X. = 1,31 мкм
и которое можно также использовать в диапазоне длины волны около
1,55 мкм (там, где характеристики волокна не оптимизиро-ваны);
— волокно со смещенной нулевой дисперсией, оптимизированное
для использования вблизи длины волны А. = 1,55 мкм;
— волокно с ненулевой смещенной дисперсией, предназначенное
для спектрального (волнового) уплотнения в диапазоне длин волн от
1,530 до 1,565 мкм.
К настоящему времени среди проложенных в мире одномодовых
волокон подавляющее число составляют обычные волокна и начина-
ют использоваться волокна с ненулевой смещенной дисперсией.
Производители одномодовых волокон создают волокна различающи-
еся между собой внутри одной и той же группы профилем показателя
преломления и диаметром сердечника, в отличие от классификации мно-
гомодовых волокон, основанной на определенных размерах диаметра
99
сердцевины и оболочки. Например, некоторые производители стандарт-
ного одномодового волокна используют так называемую согласован-
ную оболочку, (рис. 3.16, а), в которой значение показателя преломле-
ния оболочки согласовано с чистым кварцем. В противовес этому
другие производители используют поглощающую оболочку, которая со-
стоит из двух слоев с разными показателями преломления, рис. 3.16, б.
Внутренний слой, прилегающий к сердцевине, имеет меньший показа-
тель преломления (и3), чем внешний слой из кварцевого стекла (п2).
Диаметр сердцевины для стандартных одномодовых волокон может
быть легко идентифицирован как размер области в которой показатель
преломления имеет наибольшее значение. Волокна со смещенной дис-
персией имеют более сложные профили показателя преломления рис.
3.16, г и д, для которых определение диаметра сердцевины становится
неоднозначным. Поэтому вместо (или наряду) диаметра сердцевины
для одномодовых волокон принято указывать диаметр модового поля,
т.е. диаметр области в центре волокна, по которой распространяется
основная часть электромагнитной энергии, подробности см. п. 4.1.
Диаметр модового поля (BQ у стандартных одномодовых волокон
с поглощающей оболочкой (W = 8,8 мкм при л, = 1,31 мкм) меньше,
чем аналогичного волокна с согласованной оболочкой (W = 9,3 мкм).
Поэтому при изгибах одномодовое волокно с поглощающей оболоч-
кой вносит меньшие потери, чем волокно с согласованной оболочкой,
но последние имеют меньшие потери на разъемных и неразъемных
соединениях.
В настоящее время при проектировании сети связи на выбор типа
одномодового волокна влияют следующие три основные фактора:
— максимальная длина регенерационного участка;
— максимальное число каналов в системе передачи (максималь-
ная скорость передачи по одной системе);
— общее число каналов при передаче по одному волокну.
Если не предполагается использовать скорость передачи выше
2,5 Гбит/с или не требуется длина участка регенерации более
50-100 км (в зависимости от типа использованного лазера), то целе-
сообразно использовать стандартное одномодовое волокно с согла-
сованной или поглощающей оболочкой, так как оно стоит на 30-60%
дешевле по сравнению с волокном со смещенной нулевой или сме-
щенной ненулевой дисперсией.
Волокно со смещенной нулевой дисперсией рекомендуется применять
при скорости передачи 10 Гбит/с и числе каналов спектрального уплотне-
ния (число рабочих длин волн) не более четырех в одном волокне.
100
Волокно с ненулевой смещенной дисперсией используется, если
волокно со смещенной нулевой дисперсией не обеспечивает требуе-
мую пропускную способность по одному волокну.
Контрольные вопросы
1. Почему оптическое волокно делают состоящим из сердцевины и
оболочки? Для чего на него наносят полимерное защитное покрытие?
2. В чем суть волнового и лучевого подходов к распространению света
по световодам со ступенчатым профилем?
3. Чем определяется число направляемых мод в волоконных светово-
дах?
4. Какими физическими процессами обусловлены параметры переда-
чи световодов — затухание и дисперсия?
5. Что такое одно- и многомодовая передачи по оптическим кабелям?
Глава 4
ХАРАКТЕРИСТИКИ
ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН,
ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ИХ
КАЧЕСТВО И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ
В целях стандартизации электросвязи на всемирной основе Сектор
стандартизации Международного союза электросвязи (МСЭ-Т) вы-
пускает рекомендации для различных видов оптических волокон.
Один из комитетов этого сектора в результате изучения технической
стороны вопроса и опыта практического использования волокон раз-
рабатывает рекомендации для различных видов волокон по: характе-
ристикам передачи, геометрическим и механическим характеристи-
кам. Все виды волокон, выпускаемых отечественной промыш-
ленностью соответствуют рекомендациям МСЭ-Т. Рекомендации по
наиболее широко используемому в России виду одномодового во-
локна, а именно оптимизированного для работы на длинах волн около
1,31 мкм, приведены в рек. G. 652, а по многомодовому волокну с
градиентным профилем (50/125) в рек. G. 651.
В данном пособии основное внимание уделено пояснению причин
нормирования тех или иных параметров, а не численным значениям
самих параметров, хотя некоторые из них будут приведены ниже из
рек. G. 652 в редакции 1993 г. Это объясняется тем, что технологии
производства оптического волокна непрерывно совершенствуются и
это позволяет мировым лидерам в области изготовления оптического
волокна производить его по более жестким требованиям, чем в реко-
мендациях МСЭ-Т, а также нормировать некоторые дополнительные
характеристики. Опыт показывает, что в дальнейшем они включаются
в соответствующие рекомендации МСЭ-Т. Так рек. G. 652 в редак-
ции 1988 г. не содержала раздела по испытанию оптических волокон
на прочность, но он появился в редакции 1993 г.
102
4.1. Характеристики передачи
4.1.1. Коэффициент затухания
Интуитивно понятно, что ослабление электрических (оптических)
сигналов после прохождения вдоль направляющей системы можно
оценить отношением мощности сигнала на входе и выходе направля-
ющей системы. Чем это отношение больше, тем ослабление меньше.
Однако в любой направляющей системе, независимо от ее вида,
например, оптическое волокно или витая пара, потери при распрос-
транении электромагнитной энергии вдоль направляющей системы
принято оценивать не просто отношением мощности синусоидального
сигнала на ее входе к мощности на выходе, а десятичным логариф-
мом этого отношения, которое принято называть затуханием. Это
объясняется тем, что тракт передачи оптических сигналов состоит не
только из волокна, но может содержать коннекторы, механические
соединители и другие компоненты, вносящие потери в тракт переда-
чи. Введение понятия затухания позволяет определить суммарные
потери в тракте как сумму потерь отдельных его элементов. Затухание
в цепях связи принято указывать в зависимости от частоты колеба-
ний, в оптических же волокнах — в зависимости от длины волны,
которая однозначно определяется через частоту колебаний, как отно-
шение скорости распространения волны к частоте.
Затухание (а), дБ, оптического волокна длиной L рассчитывается
по формуле:
a = Wlog^~, (4 .1)
где Рд — мощность света, направляемых мод, введенная в начале волок-
на;
— мощность света, оставшаяся в волокне на расстоянии L от его
начала.
Качество волокна с точки зрения величины потерь передаваемой
по нему энергии принято оценивать коэффициентом затухания а, т.е.
величиной затухания волокна на длине в 1 км, которое может быть
определено из выражения:
а
а = -, (4.2)
где а — затухание оптического волокна длиной L, дБ;
L — длина оптического волокна, км.
103
(4.4)
Таким образом, коэффициентом затухания оптического волокна,
называется величина, характеризующая уменьшение мощности опти-
ческого излучения при его прохождении по ОВ, выраженная в дБ,
отнесенная к длине оптического волокна. Максимальное значение ко-
эффициента затухания оптических волокон в оптическом кабеле на-
зывается коэффициентом затухания оптического кабеля.
Из формулы (4.1) можно получить выражение для расчета мощ-
ности света в волокне на расстоянии L от его начала
PL = Ро • ПН10 (4.3)
или
PL = Ро • 10^10
Например, при затухании волокна в 10 дБ мощность света на его
выходе составляет
PL = Ро • ю-,0/!0,
т.е. 10 % от мощности света в начале волокна.
Одномодовые волоконно-оптические кабели по рек. G. 652 долж-
ны иметь, как правило, коэффициенты затухания ниже 1,0 дБ/км в
диапазоне 1310 нм и ниже 0,5 дБ/км в диапазоне 1550 нм. Изготав-
ливаемые в настоящее время оптические кабели имеют в диапазоне
1310 нм значения коэффициентов затухания в зависимости от техно-
логии изготовления волокна, его состава и конструкции волокна и
кабеля в диапазоне 1310 нм а = 0,3....0,4 дБ/км, а в диапазоне
1550 нм а = 0,15....0,25 дБ/км.
Оптический кабель в процессе прокладки получает многочис-
ленные изгибы, а в муфте делается запас длины оптических воло-
кон в виде колец, что обуславливает дополнительные потери на изги-
бах. Так как эти потери возрастают с увеличением длины волны,
то они нормируются для наиболее длинной из используемых рабо-
чих волн. Контроль качества выполнения строительно-монтажных
работ желательно выполнять на более длинной волне, чем верхняя
рабочая.
Характеристики затухания волокна при его изгибе на длине
волны А, = 1550 нм по рек. G. 652. Чтобы обеспечить режим с малым
затуханием в диапазоне 1550 нм при использовании оптимизирован-
ных на 1310 нм волокон, увеличение затухания 100 витков волокна,
свободно намотанного с радиусом 37,5 мм, при измерении на длине
волны 1550 нм не должно превышать 1,0 дБ.
104
Для оценки качества одномодового волокна, кроме параметров
регламентированных рек. G. 652, полезен опыт нормирования веду-
щими производителями некоторых дополнительных характеристик,
имеющих важное значение для оценки качества оптического волокна:
— изменение затухания в зависимости от длины волны: увеличе-
ние затухания в области длин волн 1,285-1,330 мкм может превы-
шать затухание на длине X, = 1,31 мкм не более чем на
0,1 дБ/км, а в области длин волн 1,525-1,575 мкм — не более чем
на 0,05 дБ/км;
— затухание на длине волны пика поглощения гидроксильной
группы (X, = 1,383 ± 0,003 мкм) не более 42,0 дБ/км;
— коэффициент обратного рэлеевского рассеяния при длительно-
сти импульса 1 мкс на длине волны X, = 1,31 мкм (-49 дБ), а на
X = 1,55 мкм (-52 дБ).
— радиус кривизны (R) собственного изгиба волокна R > 4 м.
4.1.2. Полоса пропускания и хроматическая
дисперсия
Дисперсионные характеристики многомодовых волокон принято оце-
нивать полосой пропускания и дополнительно, при необходимости коэф-
фициентом хроматической дисперсии, а одномодовых волокон — коэф-
фициентом хроматической и поляризационной модовой дисперсии.
Ширина полосы пропускания оптического волокна определяется по его
передаточной функции, а именно как интервал частот, в котором величи-
на передаточной функции G(f) уменьшается вдвое по сравнению с вели-
чиной при нулевой частоте, см. рис. 4.1. Передаточная функция опреде-
ляется как отношение при любой частоте между амплитудой
синусоидальной модуляции оптической мощности на входе волокна и
амплитудой синусоидальной модуляции оптической мощности на выхо-
де волокна. С увеличением частоты модуляции передаточная функция
уменьшается, это происходит за счет переноса оптической мощности из
боковых полос частот к несущей частоте, суммарная же оптическая
мощность при этом остается неизменной.
Хотя полоса пропускания, как частотная характеристика дисперси-
онных свойств волокна, используется производителями волокна толь-
ко для многомодовых волокон, она может быть определена также и
для одномодовых волокон по временным дисперсионным характери-
стикам волокна с учетом формы передаваемых импульсов и спект-
ральной ширины источника излучения. Другими словами полоса про-
пускания — это интегральный параметр, учитывающий свойства как
105
G(f)
1,0
АРис. 4.1 Передаточная функция
волоконного световода:
G(f) — нормированная передаточ-
К ная функция; F — ширина полосы про-
[ X. пускания;/т — частота модуляции
I х.
I
О F ~т
оптического волокна, так и источника оптического излучения. Поэто-
му, если производители указывают полосу пропускания оптического
волокна, то необходимо обязательно запрашивать у них характерис-
тики использованных при измерениях источников излучения.
Полоса пропускания и коэффициент хроматической дисперсии
многомодовых градиентных волокон по рек. G. 651
Полоса пропускания. МСЭ-Т ввел в рек. G. 651 для многомодо-
вых волокон понятие основной полосы частот и полосы пропускания
по модовым искажениям.
Характеристика основной полосы частот учитывает влияние как
модовых искажений, так и хроматической дисперсии. Характеристи-
ка основной полосы частот отнесена к одному километру длины
оптического волокна.
Полоса пропускания по модовым искажениям определяется по
амплитудно-частотной характеристике, построенной по модовым ис-
кажениям и скорректированной с учетом хроматической дисперсии,
на уровне 3 дБ оптической мощности.
Так как полоса пропускания по модовым искажениям в сильной
степени изменяется в зависимости от точности реализации показателя
профиля в процессе изготовления волокна, то изготовители волокна
выполняют измерения полосы пропускания для каждой катушки мно-
гомодового волокна и пересчитывают ее значение для длины в 1 км,
полоса пропускания имеет размерность МГц-км. Минимальное значе-
ние полосы пропускания оптических волокон в кабеле называется
полосой пропускания оптического кабеля.
Измерения полосы пропускания производители выполняют с при-
менением лазерных источников излучения на длинах волн в первом
(вблизи 850 нм) и/или втором (вблизи 1300 нм) окнах на ста-
дии намотки волокна на катушки в процессе производства, перед их
106
покрытием защитной оболочкой или размещением в элементах
кабеля.
По рек. G. 651 полоса пропускания по модовым искажениям не
менее 200 МГц-км в диапазонах 850 и 1300 нм, но не обязательно в
обоих диапазонах. Реально выпускаемые волокна имеют значительно
большую полосу пропускания, особенно в диапазоне 1300 нм.
Полоса пропускания по модовым искажениям, измеренная произ-
водителями, может значительно отличаться от полосы пропускания
проложенной оптической линии, за счет использования источников
излучения с разными спектральными характеристиками. Если рабочая
длина волны и спектральная ширина источника излучения пользова-
теля (лазера или CHD) такие же как у производителя волокна, то
полоса пропускания линии может быть рассчитана по полосе пропус-
кания волокна на катушке.
Многомодовые волокна направляют сотни мод и каждая имеет
свои собственные потери, скорость и длину волны нулевой диспер-
сии.
Существует оптимальный параметр формы профиля g , при кото-
ром теоретически достигается наибольшая полоса пропускания для
определенной длины волны. В результате полоса пропускания волок-
на может быть оптимизирована только на одной длине волны, назван-
ной пиковой длиной волны волокна Хр. При использовании длины
волны отличной от 1 полоса пропускания многомодового волокна
будет уменьшаться.
Расположение пиковой длины волны волокна может изменяться
при помощи изменения параметра формы профиля gopt и здесь имеет-
ся различие между волокнами первого и второго окна. Высококаче-
ственные волокна первого окна имеют пиковую длину волны 850 нм,
тогда как волокна второго окна — 1300 нм. Двухоконные волокна
представляют собой компромисс между этими двумя типами и имеют
пиковую длину волны около 1100 нм. Хотя этот компромисс обеспе-
чивает приемлемую полосу пропускания в первом и втором
окнах одновременно, широкополосность при X = 850 и
1300 нм никогда не будет выше той, которая может быть достигнута
в однооконных волокнах хорошего качества.
Хроматическая дисперсия. Под хроматической дисперсией пони-
мается расширение светового импульса в оптическом волокне из-за
различия групповой скорости распространения разных длин волн, ко-
торые составляют спектр источника излучения. Хроматическая диспер-
сия в расчете на единицу ширины спектра источника и единицу длины
107
волокна называется коэффициентом хроматической дисперсии и выра-
жается в пс/нм-км.
В табл. 4.1 приведены типовые значения коэффициента хромати-
ческой дисперсии для многомодовых градиентных оптических воло-
кон с высоким содержанием кремния.
Основная полоса частот многомодового волокна
Основная полоса частот (F) учитывает совместное влияние как
модовых искажений, так и хроматической дисперсии. Она может быть
рассчитана по формуле:
<4-5>
где Рыоя — полоса пропускания по модовым искажениям;
Л<ром — полоса пропускания по хроматической дисперсии.
Хроматическая дисперсия одномодовых волокон по рек. G.652.
Производители одномодовых волокон указывают численное значе-
ние коэффициента хроматической дисперсии для длины волны
А, =1,31 мкм и А, =1,55 мкм, а также приводят некоторые допол-
нительные характеристики, которые будут рассмотрены ниже, позво-
ляющие потребителю оценить качество волокна с точки зрения вели-
чины дисперсии оптического сигнала. Реальная дисперсия сигнала
зависит не только от качества, присущего собственно оптическим
волокнам, но и от ряда технических решений, принимаемых пользо-
вателем оптических волокон. Эта ситуация аналогична той, которая
имеет место при оценке качества связи по симметричному кабелю.
Как известно, качество связи по последнему зависит от качества
собственно кабельной продукции, оцениваемой через понятие пере-
ходного затухания, а также от технических решений пользователей,
например, длины усилительного участка. В целом качество связи по
симметричному кабелю оценивается через понятие защищенности
цепи, численное значение которого зависит как от величины переход-
ного затухания, так и длины усилительного участка. Хроматическая
Таблица 4.1. Типовые значения коэффициента хроматической
дисперсии многомодовых волокон с градиентным
профилем
Длина волны, нм Коэффициент хроматической дисперсии, пс/нм • км
850 <120
1300 <6
108
дисперсия одномодовых волокон может быть также выражена в виде
ширины полосы пропускания, если известны характеристики источ-
ников излучения, использованных потребителями волокон. В общем
случае, производители волокна не знают какие источники будут при-
менять пользователи и поэтому не могут указать хроматическую по-
лосу пропускания своих волокон. Вместо этого они указывают об-
ласть минимального и максимального значения длины волны нулевой
дисперсии Хо и приводят значения коэффициентов максимального на-
клона дисперсии 5, которые могут быть использованы для расчета
расплывания импульса (или полосы пропускания) при использовании
волокна с любым источником.
Максимальный коэффициент хроматической дисперсии в рек.
G. 652 задается:
— допустимым диапазоном длин волн с нулевой дисперсией меж-
ду Х„. = 1300 нм и X. = 1324 нм;
— максимальной величиной крутизны нулевой дисперсии
SOmax _ 0,093 пс(нм2-км).
Предельные величины коэффициента хроматической дисперсии
для любой длины волны X в диапазоне 1260-1360 нм рассчитываются
по следующим формулам:
с
‘-'ртах
4
)4
лотш
I3
(4.6)
Коэффициент поляризационной модовой дисперсии (Т). В реко-
мендации G. 652 отсутствуют нормативы по этому коэффици-
енту. Ведущие производители волокон нормируют значение
Т = 0,5icJkm, для его обеспечения разработана специальная техноло-
гия вытягивания волокна. При обычной технологии значения Т пример-
но на порядок больше, что может вызвать значительные дополнитель-
ные затраты при скорости передачи информации 2,5 Гбит/с и выше.
4.2. Геометрические характеристики
Для увеличения длины регенерационного участка одно из необхо-
димых требований заключается в уменьшении величины затухания
смонтированной волоконно-оптической линии. Так как коэффициент
109
затухания выпускаемых в настоящее время одномодовых волокон
близок к теоретическому минимуму, то основное внимание произво-
дители волокна уделяют уменьшению отклонений геометрических
характеристик волокна от их номинальных значений: диаметра и не-
круглости сердцевины и отражающей оболочки, эксцентриситет сер-
дцевины и оболочки.
Указанные геометрические характеристики оптического волокна
через обозначения рис. 4.2 могут быть определены следующим образом:
диаметр сердцевины + ^min . 2 (4-8)
диаметр оболочки jy _ max Dmin . 2 (4.9)
некруглость сердцевины e=^max-^minxl00% 4 (4.Ю)
некруглость оболочки £’=£>max~£>mmxl00% Do (4.H)
эксцентриситет C = -xl00% d (4.12)
где х — не концентричность сердцевины и оболочки.
Ужесточение допусков на геометрические характеристики позво-
ляет значительно уменьшить затухание на стыке волокон при их со-
единении сваркой или с применением механических соединителей
Рис. 4.2. Геометрические соотношения в оптическом волокне:
а — идеальное волокно; б — реальное волокно
110
Рис. 4.3. Влияние геометрических характеристик на юстировку торцов
оптических волокон:
1 — неодинаковость диаметров отражающей оболочки; 2— эксцентриситет
сердцевина/оболочка; 3 — некруглость отражающей оболочки; 4 — кривизна
волокна
(рис. 4.3). Следствием улучшения геометрических характеристик оп-
тических волокон является также увеличение процента удачных сва-
рок в полевых условиях. Практическая значимость допусков на гео-
метрические характеристики может быть подтверждена следующим
примером. В 1997 г. монтаж одной из междугородных ВОЛС выпол-
нялся по следующим техническим условиям: вносимые потери на
сростках должны быть не более 0,11 дБ по среднему значению с
учетом укладки ОВ в муфте и не более 0,2 дБ по абсолютному зна-
чению; при этом если при 3-х сварках не обеспечить затухание
0,2 дБ, то допускается затухание до 0,3 дБ. Следовательно, затухание
одной неудачной сварки эквивалентно собственному затуханию
1,5 км оптического волокна. Ранее специалисты этой же организации
выполнили монтаж другой междугородной ВОЛС со средним значе-
нием вносимых потерь на сростках равным 0,05 дБ.
В табл. 4.2 приведены требования к номинальным значениям и
допускам на геометрические характеристики одномодовых волокон
по рек. G. 652, а также аналогичные характеристики ведущих произ-
водителей оптического волокна.
Из данных табл. 4.2 видно, что ведущие производители оптичес-
кого волокна применяют в два раза более жесткие допуски на гео-
метрические характеристики по сравнению с рек. G. 652.
Цена оптического волокна на мировом рынке зависит от двух
основных факторов: величины допусков на геометрические характе-
ристики оптических волокон и стабильности геометрических разме-
ров по длине волокна, а также от числа непрерывно контролируемых
111
Таблица4.2. Г еометрические характеристики одномодовых
волокон
Наименование характеристики Рек. G. 652 Ведущие производители волокна
Диаметр оболочки, мкм 125 125
Предельный допуск, мкм ±2 ±1,0
Некруглость оболочки, % меньше 2% меньше 1%
Не концентричность сердцевины и оболочки, мкм меньше 1 мкм меньше 0,5 мкм
характеристик оптического волокна в процессе производства. Инте-
ресно отметить, что при обучении за рубежом эксплуатационного
штата для содержания ВОЛС подробно рассматриваются заводские
измерения оптических волокон.
4.3. Механическая прочность
и срок службы оптических волокон
4.3.1. Теоретическая и реальная прочность
оптического волокна на разрыв
Для кварцевых оптических волокон принято рассматривать теоре-
тическую и реальную прочность на разрыв. Теоретическая прочность
составляет около 20 ГПа. Однако реальная прочность кварцевых
волокон в несколько раз меньше теоретической, для лучших образ-
цов кварцевых волокон она не превышает 5 ГПа. Прочность реально
изготовленного волокна снижается из-за наличия поверхностных
объемных дефектов в заготовках и готовом волокне, а также из-за
воздействия внутренних напряжений, возникающих в волокне в про-
цессе вытяжки из заготовок. Неоднородности материалов в стекле
или дефекты поверхности стекла создают механически ослабленные
места вдоль оптического волокна. О механической прочности опти-
ческого волокна можно говорить лишь с определенной степенью ве-
роятности, поскольку местоположения нерегулярностей и их величи-
ны имеют случайный характер.
При воздействии на волокно растягивающих усилий наибольшие
напряжения возникают вокруг концов трещин. Природная хрупкость
стекла увеличивает напряжение на конце трещины и способствует
разрушению волокна, в противоположность металлам, тягучесть ко-
торых позволяет расплываться и выравнивать местные перенапряже-
на
ния. Качественно этот процесс аналогичен разрыву листа бумаги.
Бумагу трудно разорвать путем растягивания, но если она имеет не-
большие разрезы (трещины), то легко рвется. Также происходит и с
волокнами и они разрушаются в месте наибольшей трещины.
Снижение механической прочности волокна также происходит из-
за процессов химической коррозии при воздействии влаги, поэтому
разрушение волокна в области локальной неоднородности является
процессом, зависящим от времени. Между глубиной трещины и на-
пряжением, при котором разрушается волокно, имеется однозначная
связь, причем величина напряжения при разрушении волокна зави-
сит от формы трещины.
Поверхностные трещины возникают от множества причин, некото-
рые из которых присущи собственно стеклу, а другие связаны с
процессами изготовления заготовки волокна, вытягивания волокна из
заготовки, нанесения первичного покрытия. Глубина и число трещин
на единицу длины оптического волокна произвольно распределены
вдоль длины волокна.
Волокно разрушается в месте нахождения самой глубокой трещи-
ны (слабейшее звено в цепи) и так как в длинных волокнах наличие
такой глубокой трещины более вероятно, чем в коротких волокнах,
то прочность волокна зависит от его длины. Короткие соединитель-
ные волокна длиной несколько десятков сантиметров содержат боль-
шие трещины с меньшей вероятностью и поэтому имеют большие
силы разрушения, находящие в диапазоне от 4,5 до 5,9 ГПа. В про-
тивоположность этому волокно длиной несколько км, используемое
для приготовления кабелей связи, может содержать одну большую
трещину, которая сильно уменьшает прочность. Единственная воз-
можность быть уверенным, что длинное волокно не содержит трещи-
ны большей по величине, чем допустимая, — это испытать на проч-
ность полностью всю длину, чтобы знать нижнюю границу прочности.
4.3.2 Испытание оптического волокна
на прочность и расчет вероятности
разрушения волокна
Проверка волокна на прочность и его отбраковка осуществляются
путем перемотки волокна через систему роликов с заданной величи-
ной натяжения, которая устанавливается исходя из расчетного срока
службы кабеля.
Международный союз электросвязи рекомендует испытывать опти-
ческие волокна на механическую прочность при следующих условиях:
113
— напряжение растяжением не менее 0,35 ГПа (что приблизитель-
но соответствует деформации ~ 0,5%);
— номинальная длительность испытания составляет 1 с.
В пределах определенного диапазона нагрузки натяжение растяже-
ния и относительное удлинение волокна связаны между собой моду-
лем Юнга. Поэтому некоторые фирмы условия испытания волокна на
прочность указывают не в единицах напряжения растяжения, а в про-
центах относительного удлинения. В этом случае желательно знать точ-
ное значение модуля Юнга для данного волокна, в противном случае,
можно говорить об ориентировочном значении напряжения, так как
значение модуля Юнга для различных волокон изменяется в пределах
от 70 до 90 ГПа.
Ведущие производители оптического волокна испытывают его напря-
жением растяжения 0,7 ГПа для наземных кабелей и 1,4 ГПа для подвод-
ных кабелей при длительности испытаний равной 1 с.
Для расчета вероятности разрушения оптических волокон, выдер-
жавших испытания на прочность, должна использоваться методика,
учитывающая множество дефектов, которыми могут обладать волок-
на. Множество случайных трещин различной глубины, распределен-
ных по всей длине волокна обуславливают необходимость примене-
ния статистических методов расчета.
В настоящее время расчеты напряжений при разрыве оптических
волокон выполняются с использованием экспериментально получен-
ных параметров распределения Вейбулла, которые позволяют рассчи-
Рис. 4.4. Зависимость
вероятности разрыва
оптического волокна от
величины напряжения при
разрыве
тать прочность системы, зависящей от
слабейшего звена этой системы. В слу-
чае оптических волокон это отражает
вероятность их разрушения из-за пре-
обладающей или самой глубокой тре-
щины.
Распределение Вейбулла для испы-
туемой партии оптических волокон по-
лучают экспериментально, измеряя на-
пряжение (относительное удлинение)
при разрыве большого числа отрезков
волокна длиной от 10 до 20 м. По дан-
ным измерений строят интегральную
кривую вероятности разрыва волокон
от величины напряжения при разрыве.
На рис. 4.4 приведена типичная зависи-
114
мость вероятности разрыва (Р) волокна от величины напряжения при
разрыве (а) без учета изменения величины напряжения при разрыве во
времени вследствие статической коррозии см. п. 4.3.3. Излом кривой
при напряжении разрыва (о = о2) указывает на наличие в данной испы-
туемой партии волокон двух видов дефектов, распределенных по длине
волокна с разной плотностью. При напряжениях меньших величины Oj
волокно не разрушается. Минимальное напряжение, при котором проис-
ходит разрыв, равно 0 = 0]; среднее напряжение разрыва, при котором
происходит разрушение половины волокон (Р = 0,5) равно о = о3, раз-
рушение всех волокон (Р = 1) происходит при максимальном напряже-
нии разрыва равном о = о4. Чем больше численное значение напряже-
ний при разрыве ор о3, о4, тем большей механической прочностью
обладает волокно. Без учета коррозии вероятность разрыва оптического
волокна произвольной длины L в зависимости от величины приложен-
ного и испытательного напряжения при номинальной длительности ис-
пытаний может быть рассчитано по формуле [4]:
Г L (а х'
P(L,a) = l-exp —------ /48)
где Р(£,а) —вероятность разрыва волокна длиной L при напряжении;
Lo—длина отрезка оптического волокна при испытаниях на
разрыв;
ао—испытательное значение напряжения растяжения волокна
при его изготовлении;
т—числовой параметр распределения Вейбулла, определяется
по результатам испытаний отрезков волокна на разрыв.
4.3.3. Срок службы оптического волокна
Если волокно выдержало испытание на прочность при определен-
ном значении напряжения, то это не означает, что оно может проти-
востоять ему повторно или выдерживать меньшие значения неограни-
ченно долго. Воздействие на волокно постоянно приложенной рас-
тягивающей силы более низкого значения, чем при его испытаниях на
прочность, также приводит через определенный промежуток времени
к разрушению волокна вследствие процесса статической коррозии.
Под статической коррозией понимается процесс уменьшения прочно-
сти волокна (увеличение размеров трещин) во времени при воздей-
ствии на волокно напряжения, влаги, высокой температуры, щелочи
115
или аммиака. Способность волокон противостоять воздействию опти-
ческой коррозии оценивается коэффициентом устойчивости оптичес-
ких волокон к статической коррозии, его численное значение опре-
деляется путем измерений и чем оно больше, тем лучше. Конкретное
значение определяется, главным образом, материалом волокна и его
первичного покрытия, приложенных усилий, влажности и температу-
ры. При увеличении температуры и влажности коэффициент устойчи-
вости уменьшается. Это объясняется тем, что коррозия возникает,
когда под действием воды разрушаются молекулярные связи крем-
ния и кислорода, повышение же температуры и влажности ускоряет
реакцию разрыва связей.
Производители оптических волокон указывают численное значе-
ние коэффициента устойчивости оптических волокон к статической
коррозии (и) в спецификациях на волокно. Для обычных волокон
значение коэффициента равно п > 20, а для волокон, имеющих тон-
кий слой титана в отражающей оболочке для повышения механичес-
кой прочности и надежности п > 25.
Статическая коррозия ограничивает допустимое итоговое оста-
точное напряжение, которое может выдержать волокно в течение
срока службы или другими словами — определяет срок службы
волокна, при известном остаточном напряжении, внутри кабеля. Ста-
тическая коррозия также ограничивает минимальный радиус изгиба
волокна в муфте.
Так как после прохождения испытаний волокна на прочность га-
рантирован определенный наибольший размер трещины, то может
быть рассчитан его минимальный срок службы. Для выполнения
расчетов должны быть известны следующие три величины:
— напряжение растяжения (относительное удлинение) при завод-
ских испытаниях волокна на прочность;
— напряжение растяжения, приложенное к волокну в процессе
срока службы;
— коэффициент устойчивости оптических волокон к статической
коррозии.
Срок службы оптического волокна (период времени до его разру-
шения) может быть рассчитан по формуле [5]:
log Т=- 0,931- 0,21и - log(n - 2) + (и - 2) logoo- «logo, (4.9)
где Т — срок службы оптического волокна, число дней;
п -— численное значение коэффициента устойчивости оптичес-
ких волокон к статической коррозии;
116
а0 — величина испытательного напряжения волокна на растяже-
ние при его изготовлении, ГПа;
а — величина остаточного напряжения в волокнах в течение сро-
ка службы.
Результаты расчетов показывают, что срок службы оптического
волокна составит 20 лет при величине остаточного напряжения соот-
ветственно не более 0,12 ГПа, испытательном напряжении о = 0,35 ГПа
и величине коэффициента устойчивости оптических волокон к стати-
ческой коррозии п = 20.
Чем при большей величине силы растяжения (относительного
удлинения) выполнено испытание волокна на прочность, тем больше
срок службы оптического волокна в кабеле при прочих равных ус-
ловиях.
Чем большая итоговая сила растяжения приложена к волокну в
процессе эксплуатации кабеля, тем меньше срок службы кабеля. Ито-
говое напряжение растяжения зависит от остаточной деформации
волокна. Причиной остаточной деформации волокна может быть ра-
стяжение, скручивание и изгибание, которые возникают при изготов-
лении, прокладке и эксплуатации кабеля. Остаточная деформация во-
локна сокращает срок его службы вследствие ускоренного роста
трещин из-за присутствия загрязняющих веществ в окружающей сре-
де. Кроме того, остаточная деформация снижает допустимый уровень
динамической деформации, которую может выдержать волокно до
его разрыва. Наименьшие итоговые остаточные напряжения растяже-
ния в зависимости от способа прокладки оптического кабеля имеют
место при прокладке кабеля в трубопроводах методом вдувания, а
наибольшие напряжения растяжения в процессе эксплуатации может
испытывать самонесущий подвесной кабель при воздействии голо-
ледной и ветровой нагрузки, а также в случае ослабления по той или
иной причине упрочняющих элементов при прокладке или эксплуа-
тации.
Динамическая деформация волокна также уменьшает срок служ-
бы волокна. Она может возникать при ударах и толчках во время
прокладки а также в течение срока эксплуатации самонесущих кабе-
лей. Динамическая деформация возникает при самопроизвольной виб-
рации самонесущего кабеля, а также при воздушных вводах кабеля
за счет падения гололеда с выше расположенных проводов и падения
глыб льда с крыш. Для защиты оптического кабеля на вводах необ-
ходимо предусмотреть подвеску металлического троса выше ОКС.
Динамическая деформация, наряду со статической деформацией, вы-
117
зывает ускоренный рост трещин, а при превышении определенного
значения может произойти разрыв оптического волокна. Поэтому в
процессе прокладки, монтажа и эксплуатации оптического кабеля его
нельзя подвергать воздействию ударных нагрузок.
Контрольные вопросы
1. Перечислите передаточные характеристики оптических волокон.
2. В чем состоит смысл понятия затухания оптического волокна?
3. От чего зависит пропускная способность оптического волокна?
4. Через какие характеристики оцениваются дисперсионные свойства
многомодовых и одномодовых оптических волокон?
5. Каковы причины возникновения модовых искажений и хромати-
ческой дисперсии?
6. Что понимают под оптимальным параметром формы профиля
показателя преломления градиентного оптического волокна?
7. Одинакова ли полоса пропускания по модовым искажениям, изме-
ренная при заводских и полевых измерениях?
8. Перечислить геометрические характеристики оптических волокон
и пояснить значимость нормирования их допусков.
9. Какие характеристики оптических волокон обуславливают их срок
службы?
10. Пояснить физические процессы разрушения волокон в процессе
эксплуатации ОКС.
118
Глава 5
КОНСТРУКЦИИ И
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКИХ
КАБЕЛЕЙ
5.1. Общие требования к оптическим
кабелям
Конструкции оптических кабелей должны выполнять следующие
основные функции:
защитить волокна от повреждений и разрушений в процессе про-
изводства, прокладки и эксплуатации кабеля;
обеспечить постоянство характеристик оптического волокна в про-
цессе срока службы кабеля на уровне характеристик некаблирован-
ного волокна;
обеспечить прочностные характеристики кабеля также как у элек-
трического кабеля с тем, чтобы с ними можно было одинаково об-
ращаться и использовать одни и те же механизмы для прокладки
кабеля;
обеспечить идентификацию волокон в кабеле для предотвращения
разбитости волокон при соединении строительных длин оптического
кабеля.
Основное отличие конструкции оптических кабелей от электричес-
ких заключается в том, что они должны содержать упрочняющие
(силовые) элементы.
Сердечник электрического кабеля, состоящий из медных жил,
может использоваться в качестве несущего нагрузку элемента, так
как медь может удлиняться более чем на 10% без разрушения. Иначе
ведут себя оптические волокна. Они разрушаются при удлинении в
несколько процентов.
Оптические кабели для защиты волокон от повреждений и допол-
нительных потерь из-за микроизгибов в процессе прокладки и эксп-
луатации конструируются с упрочняющими элементами, чтобы вы-
держать нагрузки тяжения и нагрузки от температурных расширений
и укорочений. Эти особые требования по прочности требуют, чтобы
большая часть поперечного сечения оптических кабелей состояла из
119
прочностных и поддерживающих элементов. Поэтому конструкции
оптических кабелей включают в себя компромисс между компактно-
стью и прочностью.
В зависимости от назначения сети оптические кабели связи (ОКС)
можно разделить на четыре группы — междугородные, городские,
объектовые и монтажные. Назначение междугородных и городских
кабелей такое же, как и соответствующих электрических кабелей.
Объектовые кабели служат для передачи информации внутри объекта,
в частности, поста электрической и диспетчерской централизации,
сортировочной горки, поезда, административных зданий. Применение
этих кабелей особенно перспективно при создании: микропроцессор-
ных устройств автоматики и телемеханики, предназначенных для вы-
сокоскоростного движения поездов; внутренней сети кабельного те-
левидения, различных информационных систем внутри станций,
например автоматизированной системы считывания номеров вагонов;
локальных вычислительных сетей. Внутриобъектовые кабели в соче-
тании со световодными датчиками можно применять для дистанцион-
ных измерений различных физических величин.
В связи с разными условиями эксплуатации ОКС внутри зданий и
при наружной прокладке оптические кабели делятся на оптические
кабели наружной прокладки и оптические кабели внутренней про-
кладки и они имеют различную конструкцию, см. п. 5.2.
Многообразие конструкций ОКС обусловлено следующими при-
чинами:
условиями эксплуатации с точки зрения величины механических
нагрузок, действующих на ОКС; наименьшие нагрузки на кабель
действуют при прокладке в трубопроводах, наибольшие при подвеске
и подводных;
областью использования: для магистральной сети используются
кабели с небольшим числом волокон (порядка 10), а для распреде-
лительных сетей несколько сотен волокон;
различными конструктивными мерами, направленными на сохра-
нение характеристик оптических волокон при внешних воздействиях
в процессе изготовления, прокладки и эксплуатации кабелей.
В отличие от металлических кабелей оптические кабели связи из-
готавливаются под конкретный объект строительства и соответствую-
щие ему технические условия. Электрические кабели изготавливают-
ся определенной номенклатуры, проектировщики выбирают наиболее
подходящий тип и емкость кабеля для данного объекта строительства
по ширине полосы пропускания цепи и числу цепей в кабеле.
120
В металлических кабелях не стоит так остро проблема сохранения
неизменными параметров передачи цепи при воздействии на кабель
механических воздействий.
При выборе типа оптического кабеля, его конструктивных и пере-
даточных характеристик для конкретного объекта строительства необ-
ходимо учитывать:
способ прокладки оптического кабеля;
стоимость и сроки выполнения строительно-монтажных работ, а
также затраты на эксплуатацию;
технологии выполнения аварийно-восстановительных работ;
топологию линейного тракта;
вариант обслуживания сети связи;
цену минуты простоя линейного тракта и/или отдельных сегментов
сети связи;
требуемого значения коэффициента готовности линейного тракта;
величины передаваемого и ожидаемого трафика.
Оптические кабели, используемые для построения железнодорож-
ных ВОЛС, должны соответствовать техническим требованиям к оп-
тическим кабелям связи, предназначенным для применения на Взаи-
моувязанной Сети Связи Российской Федерации (ВССРФ).
Общие технические требования заключаются в следующем: мини-
мальный срок службы ОКС должен быть не менее 25 лет; подвеска
и эксплуатация ОКС на опорах электрифицированных железных до-
рог не рекомендована для использования в магистральных первичных
сетях связи, но может использоваться во внутризоновой первичной
сети; завод-изготовитель обязан сообщить потребителю о любых
опасных химических препаратах, веществах или материалах, содер-
жащихся в поставляемых изделиях. При отсутствии таковых завод-
изготовитель должен представить письменное свидетельство об их
отсутствии.
В состав документации на поставляемую партию ОКС должны
входить:
технические условия (спецификация) на ОКС;
технические условия (спецификация) на используемые в ОКС
оптические волокна;
инструкция на прокладку ОКС;
инструкция по монтажу ОКС;
указания по эксплуатации ОКС;
каждая строительная длина ОКС должна иметь паспорт-сертификат.
121
5.2. Элементы конструкций оптических
кабелей
В предыдущем параграфе обращено внимание на то, что конструк-
ции оптических кабелей определяются в основном назначением, спо-
собом прокладки, условиями эксплуатации и организации ремонтно-
восстановительных работ. Оптический кабель имеет конструкцию,
аналогичную симметричным кабелям, в которой вместо изолирован-
ных жил размещены оптические волокна. Любой оптический кабель
состоит из следующих основных элементов:
сердечник кабеля;
упрочняющие элементы;
оболочка кабеля.
Кабели наружной прокладки могут иметь два дополнительных
элемента:
броневые покровы;
наружный защитный покров (защитную оболочку).
Основной фактор, с которым необходимо считаться в оптических кабе-
лях в отличие от электрических кабелей, состоит в том, что затухание опти-
ческих кабелей зависит от внутренних и внешних механических усилий.
Любые виды механических воздействий, приводящие к изгибам оптичес-
ких волокон, вызывают увеличение затухания кабеля. Для сохранения пара-
метров передачи в процессе эксплуатации необходимо защитить оптические
волокна в кабеле от внешних воздействий. Для этого на волокна наносятся
первичное защитное покрытие и защитные оболочки, см. п. 3.1.
Оптические волокна имеют более высокий модуль упругости по
сравнению с большинством материалов, используемых в конструк-
циях оптических кабелей. Поэтому в случае приложения продольных
сил к кабелю (например в процессе прокладки) самое большое на-
пряжение развивается в волокнах ОВ. Чтобы этого избежать, в кон-
струкцию кабеля вводят упрочняющие (силовые) элементы, которые
имеют более высокий модуль упругости по сравнению с оптическими
волокнами и поэтому они противостоят усилиям на растяжение ана-
логично металлической арматуре в железобетоне.
Возможны два варианта конструктивных решений по укладке оп-
тических волокон в кабеле — свободная, при которой волокна не
скреплены друг с другом и с оболочкой, т.е. лежат в ней свободно
(кабели наружной прокладки), и связанная укладка (кабели внутрен-
ней прокладки). Эти два варианта укладки волокон совместно с воз-
можными вариантами размещения упрочняющих элементов в центре,
122
во внешних защитных слоях или их комбинации дают многообразие
конструкций оптических кабелей. С точки зрения удобства монтажа
кабеля предпочтительной является структура кабеля с центральным
расположением упрочняющего элемента.
Некоторые конструкции кабелей ОКС, кроме оптических волокон,
содержат медные проводники для дистанционного питания регенера-
торов и служебной связи, которые располагают в пазах профильного
сердечника или во внешнем повиве.
5.2.1. Сердечник кабеля
Вне зависимости от условий применения кабеля: в кабельной ка-
нализации, прокладке в грунте, подвеске на опорах, прокладке под
водой, размещении в грозозащитном тросе важнейшим элементом в
конструкции кабеля, определяющим его технические и экономичес-
кие характеристики, являются сердечник оптического кабеля.
Возможны два конструктивных решения по защите оптических
волокон от механических воздействий в процессе изготовления, про-
кладки и эксплуатации кабелей, в одном из которых элементы ка-
бельного сердечника могут свободно перемещаться за счет наличия
пустот между элементами, в другом применением демпфирующих
слоев между элементами.
В настоящее время имеется пять типов компановки кабельного
сердечника:
кабели повивной скрутки;
кабели пучковой скрутки;
кабели с «профильными» сердечниками;
ленточные кабели;
кабели с сердечником в виде общей для всех волокон централь-
ной трубки.
Конструкция сердечника большинства оптических кабелей
(рис. 5.1) аналогична конструкциям симметричного кабеля связи, где
изолированные жилы вначале скручиваются в группу (пара или звез-
дная четверка), а затем группы тем или иным способом (повивами
или пучками) скручиваются между собой, образуя сердечник кабеля.
В оптическом кабеле, в качестве аналога группы металлического
кабеля, используются: одно- или многоволоконный оптический мо-
дуль, рис. 5.1, а; пучок из многоволоконных модулей или профиль-
ный сердечник, рис. 5.1, б и в; лента с несколькими оптическими
волокнами, рис. 5.1, г; пучок оптических волокон в одной централь-
ной трубке, рис. 5.1, д.
123
Рис. 5.1. Типы конструкций сердечника оптического кабеля:
а — повивной скрутки; б — пучковой скрутки; в — с профильным сердечни-
ком; г — ленточный; д — центральной трубки; 1 — одно- или многоволоконный
модуль; 2 — упрочняющий элемент; 3 — оболочка кабеля; 4 — пучок из
многоволоконных оптических модулей; 5 — оптическое волокно; 6 — лента с
несколькими оптическими волокнами; 7 — пучок оптических волокон; 8 —
центральная трубка; 9 — профильный сердечник
Скрутка оптических модулей в сердечник (рис. 5.1, а) вокруг
несущего элемента кабельного сердечника 2, может быть выполнена
одним из следующих двух типов: спиральная скрутка; SZ-скрутка.
При спиральной скрутке модули (волокна) свиваются в одном
направлении и с одинаковым углом по отношению к продольной оси
кабеля. Этот вид скрутки оптических модулей такой же как групп в
кабелях симметричной конструкции.
При 5Z-cKpyrKe одно направление скрутки, например, по часовой
стрелке через определенное число витков меняется на противополож-
ное направление (против часовой стрелки, рис. 5.2). В точке смены
направления скрутки волокна параллельны оси кабеля.
При спиральной скрутке волокна имеют тем больше превышение их
длины по сравнению с длиной оси, чем меньше шаг скрутки. Уменьшение
шага скрутки позволяет прикладывать к кабелю при прочих равных усло-
виях большие усилия на растяжение и сжатие. Однако, минимальная дли-
на шага скрутки ограничивается минимально допустимым радиусом кри-
визны волокна с точки зрения механических характеристик и увеличения
затухания волоконного световода вследствие изгибов. Величина радиуса
кривизны при спиральной скрутке не изменяется вдоль оси кабеля.
При SZ-скрутке величина радиуса кривизны изменяется вдоль
оси кабеля. Она достигает максимума в точках смены направления
скрутки. В целом эта скрутка обеспечивает более высокую стабиль-
ность параметров передачи и обладает более высокой стойкостью
к растягивающим усилиям, а так-же эксплуатационные удобства за
124
Рис. 5.2. SZ-скрутка оптических
модулей с чередованием
направления свивания:
направление скрутки 5;
1
2 — направление скрутки Z
счет более быстрого доступа к оп-
тическим волокнам в середине
строительных длин при проведении
аварийно-восстановительных
работ.
В последние годы широкое рас-
пространение получил кабель с
сердечником в виде одной цент-
ральной трубки со свободно лежа-
щими в ней скрученными волокна-
ми. Существенным отличием этой трубки от трубок оптических мо-
дулей является то, что она выполняет также роль упрочняющего эле-
мента. Эта трубка может иметь обычную гладкостенную или спирале-
видную конструкцию. Оптические волокна внутри трубок скручены
подобно волокнам в трубках оптических модулей. Но так как диаметр
центральной трубки больше диаметра оптического модуля, то опти-
ческие волокна в центральной трубке могут иметь меньший шаг
скрутки, что обеспечивает большую длину волокна. Трубка может
вмещать более 100 оптических волокон и в этом случае для облег-
чения идентификации волокон они объединяются в пучки, которые
обвязаны цветной пряжей. Спиралевидная трубка имеет более хоро-
шие механические характеристики в поперечном направлении, обла-
дая лучшей устойчивостью к раздавливанию, по сравнению с мо-
дульной структурой сердечника, профильным сердечником и
гладкостенной трубкой.
Для того чтобы предотвратить распространение влаги по длине
кабеля, свободное пространство между элементами сердечника за-
полняется специальным гидрофобным компаундом (гелем).
Если продольная водонепроницаемость не требуется, как напри-
мер, для кабелей внутренней прокладки, то необходимость в запол-
нении сердечника компаундом отпадает.
Для предотвращения нежелательного воздействия компаунда на
силовые элементы и/или оболочку кабеля сердечник кабеля изолиру-
ется от последующих внешних элементов несколькими слоями тон-
кой пластмассовой пленки.
5.2.2. Упрочняющие элементы
Упрочняющие элементы в оптических кабелях могут распола-
гаться в сердечнике, оболочке или одновременно в обеих частях.
Упрочняющие элементы независимо от места расположения наибо-
125
лее часто изготавливаются из стали, арамидной пряжи (кевлара),
стеклопластиковых стержней и синтетических высокопрочных ни-
тей. Площадь поперечного сечения этих материалов должна быть
достаточна, чтобы максимальное удлинение кабеля для установлен-
ной нагрузки вызывало растяжения волокон не более, чем две трети
от удлинения волокон, которое они получили при их испытании на
прочность в процессе изготовления, подробности см. п. 4.3. Напри-
мер, многие кабели коммерческого использования имеют допусти-
мое растяжение 3000 Н. Если кабель содержит волокна, которые
были испытаны 0,5% удлинением, то он должен иметь достаточное
количество упрочняющих элементов и такой излишек длины волок-
на, чтобы они не удлинялись более чем на 2/3 х 0,5% = 0,33% когда
подвергаются кратковременным нагрузкам 3000 Н в процессе про-
кладки и эксплуатации.
Выбор материалов для упрочняющих элементов зависит от допу-
стимого радиуса изгиба кабеля, допустимых механических нагрузок,
диапазона температур, в котором должен эксплуатироваться кабель.
5.23. Оболочка кабеля
Оболочка оптического кабеля связи выполняет те же функции, что
и в случае металлических кабелей, т.е. она должна защищать сердеч-
ник кабеля от механических, тепловых и химических воздействий, а
также от влаги. Так как в оптическом диапазоне отсутствуют помехи
со стороны контактных сетей переменного тока и ЛЭП, то не имеет
смысла делать оболочку ОКС металлической. Напомним, что основ-
ным материалом для изготовления оболочек железнодорожных элек-
трических кабелей связи является алюминий. Однако использование
металлических оболочек для ОКС нежелательно по двум причинам:
первая, кабели в этом случае подвержены повреждениям грозовыми
разрядами; вторая, необходимо делать и обслуживать заземление
металлических оболочек. Кроме того, в случае свинцовых или гоф-
рированных оболочек имеется опасность остаточной продольной де-
формации кабеля после его прокладки. Поэтому оптические кабели
при наземной прокладке в подавляющем большинстве случаев имеют
пластмассовые оболочки.
Наибольшее применение среди пластмассовых оболочек получили
полиэтиленовые и поливинилхлоридные.
Полиэтиленовая оболочка предназначена для кабелей наружной
прокладки. Номинальная толщина полиэтиленовой оболочки состав-
ляет 2,0 мм. В случае ее применения для внутренней прокладки тре-
126
буется принятие специальных противопожарных мер (прокладка в
поливинилхлоридных трубах, обмотка поливинилхлоридной лентой с
перекрытием 25%, покраска огнестойкой краской).
Подвесные кабели имеют специальную обработку наружной по-
верхности оболочки для борьбы с гололедообразованием, поэтому
подвесные кабели требуют особой осторожности в обращении с це-
лью предотвращения трения оболочки кабеля с различными поверх-
ностями (земля, опоры, деревья) при его прокладке. Для защиты
кабеля от повреждений грызунами используют слоистую оболочку,
армированную гофрированной стальной лентой, и для водонепрони-
цаемости ламинированную алюминием. Алюминиевая лента толщиной
0,2 мм с обоих сторон покрывается слоем связующего пластмассо-
вого вещества.
Поливинилхлоридная оболочка применяется для кабелей наруж-
ной прокладки в агрессивных средах и при внутренней прокладке в
производственных зданиях. При прокладке кабеля в местах большого
скопления людей (метро, зрелищные помещения и т.п.) применяются
оболочки из галогеннесодержащих не воспламеняющихся поли-
меров.
5.3. Механические характеристики
оптических кабелей связи
Конструкция кабеля должна обеспечивать стабильные характеристики
оптического волокна и стойкость кабеля к воздействию:
— растягивающих усилий*;
— раздавливающих усилий*;
— сжимающих усилий;
— динамических изгибов*;
— осевых закручиваний*;
— ударов*;
— вибрационных нагрузок*;
— избыточным гидростатическим давлением*.
♦Параметры требующие испытаний для волоконно-оптических ка-
белей при применении на ВСС России.
Согласно требованиям к кабелям ВСС, при их подвеске на опорах
железных дорог, стойкость к механическим воздействиям должна
соответствовать следующим требованиям:
допустимое растягивающее усилие 3...30 кН;
допустимое раздавливающее усилие 1...2 кН/см.
127
Конструкция самонесущего ОКС должна обеспечиваться стойко-
стью к воздействию окружающей среды в диапазоне температур
от -60 до +60°С.
5 .3.1. Методы испытаний стойкости
оптического кабеля к воздействию
различных нагрузок
Как отмечалось ранее, параметры передачи оптических волокон и
срок службы в процессе эксплуатации зависят от величины приложен-
ных к ним усилий. Во время прокладки кабеля возникает сложная систе-
ма сил воздействия между элементами кабеля, зависящая от особеннос-
тей его конструкции. Поэтому измерение механических характеристик
кабеля выполняется с учетом конструктивных особенностей кабеля, осо-
бенно это относится к испытаниям на растяжение. Конкретные методики
испытаний выбираются такими, чтобы они в наибольшей степени отра-
жали натурные условия в процессе прокладки и эксплуатации оптичес-
кого кабеля. Далее указаны основные требования при измерении раз-
личных механических характеристик оптического кабеля.
Стойкость к растягивающим усилиям определяется приложением
растягивающих усилий к части испытываемой строительной длины
кабеля. Длина растягиваемой части должна быть не менее 50 м. Креп-
ление концов растягиваемой части производится на технологических
барабанах. Скорость растяжения не более 100 мм/мин. До начала
воздействия сил, во время воздействия (1 мин) и после воздействия
(1 мин) контролируется затухание и деформация кабеля. Диапазон
температур, при которых проводятся испытания, выбирается в соот-
ветствии с технической документацией завода.
Испытание на стойкость к раздавливанию проводится в соответ-
ствии с ГОСТ 12182-8-80. Количество участков, подвергающихся
давлению, — 3. Расстояние между участками, подвергающимися дав-
лению, должно быть не менее шага скрутки. Размер сдавливающей
пластины — 10 мм. Радиусы закругления краев пластины и время
действия нагрузки согласовываются с представителями завода. До
начала сжатия и после воздействия контролируется затухание кабеля.
Испытание на стойкость к динамическим изгибам проводится в
соответствии с ГОСТ 12182.8-80. Диапазон температур, диаметр
шаблонов, количество изгибов и подвешиваемая масса выбираются
в соответствии с технической документацией завода.
Испытание на стойкость к осевому закручиванию проводится в
соответствии с ГОСТ 12182.7-80. Закручиванию подвергается часть
128
испытываемого кабеля. Длина закручиваемой части 1 м. Угол закру-
чивания ± 360°. Температура, при которой проводятся испытания, —
минус 10°. Количество участков осевого закручивания — 3. Коли-
чество циклов закручивания и масса натяжного груза выбираются в
соответствии с технической документацией завода.
Испытание на стойкость к ударам проводится в соответствии со
стандартом IEC 794-1-Е4. Энергия ударов и их количество выбира-
ются в соответствии с технической документацией завода.
Испытание на стойкость к вибрационным нагрузкам проводится в
соответствии с ГОСТ 20.57.406-81 (метод 114). Испытания проводят-
ся на образце кабеля длиной не менее 1000 м. Параметры вибраци-
онных нагрузок выбираются в соответствии с технической докумен-
тацией завода. В процессе воздействия контролируется прохождение
сигнала.
Испытание на стойкость к избыточному гидростатическому давле-
нию проводится согласно ГОСТ 20.57.406-81 (метод 216) на строи-
тельной длине 1000 м. Воздействию давления подвергается участок
кабеля длиной 50 м. Контроль затухания кабеля проводится до воз-
действия нагрузки, во время воздействия и после снятия нагрузки.
Для самонесущих конструкций оптических кабелей целесообраз-
но измерение двух дополнительных параметров, характеризующих
поведение новой, а также после процесса старения оболочки кабеля
при воздействии на нее растягивающих усилий:
зависимость относительного удлинения оболочки кабеля вдоль ее
длины в функции расстояния от места приложения растягивающего
усилия;
разрывное усилие оболочки кабеля при приложении сил растяги-
вания только к оболочке кабеля.
Это объясняется тем, что при анкеровке самонесущего оптическо-
го кабеля и в процессе дальнейшей эксплуатации сила тяжения при-
ложена только к наружной оболочке кабеля. Если сила сцепления
между оболочкой и арамидной пряжей недостаточна, т.е. возможно
проскальзывание между ними или между другими элементами кабе-
ля, то даже при значении силы тяжения меньше допустимой, которая
определяется суммированием усилий на каждом элементе кабельной
конструкции, возможен случай, когда деформация оболочки выходит
за предел упругости и оболочка кабеля в этом случае может получить
повреждение.
Методики испытаний климатических параметров. Испытание
на воздействие циклических температур проводится в соответствии с
129
ГОСТ 26814 (раздел 6). Длина испытываемого кабеля и режим изме-
нения температуры выбирается в соответствии с технической доку-
ментацией завода. Изменения затухания регистрируются при макси-
мальной температуре третьего цикла.
Испытание на стойкость к воздействию повышенной влажности
проводится в соответствии с ГОСТ 20.57.406-81 (метод 207). Режим
испытаний и длительность воздействия на кабель выбираются в соот-
ветствии с технической документацией завода изготовителя.
5.4. Отечественные оптические кабели
для железнодорожных сетей связи
и сетей связи общего пользования
Оптические кабели для применения на взаимоувязанной сети свя-
зи Российской Федерации (ВСС РФ) в соответствии с условиями их
подземной прокладки и эксплуатации, а также согласно данным тех-
нических условий на их изготовление условно подразделяются на
четыре типа:
Тип 1 — с допустимым растягивающим усилием не менее 80 кН
для прокладки через водные преграды (судоходные реки, водохрани-
лища), болота (глубиной более 2 м) 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, наносных песках и тяже-
лых глинистых грунтах.
Тип 4 — с допустимым растягивающим усилием не менее 2,7 кН
для прокладки в кабельной канализации и защитных пластмассовых
трубопроводах.
Согласно техническим требованиям кабели, предназначенные
для непосредственной прокладки в грунтах, должны быть брони-
рованными, грозостойкими (выдерживающими импульсный ток
105 кА). Внешняя защитная оболочка кабелей должна иметь со-
противление изоляции не менее 10 мОм/км при напряжении не
менее 10 кВ переменного тока относительно искусственного элек-
трода заземления в течение 5 с. Кабели должны быть сертифици-
рованы для применения на ВСС РФ. На 1998 г. девять отечествен-
ных предприятий и заводов имеют 15 сертификатов соответствия
на изготовление ОКС.
130
Практически полностью налажено производство номенклатуры
отечественных волоконно-оптических кабелей для магистральных,
зоновых и местных сетей связи. И сегодня нет необходимости заку-
пать эти кабели за рубежом. Наша промышленность, за исключени-
ем некоторых особых типов подводных кабелей, все остальное
может полностью производить и поставлять в необходимых объе-
мах.
На рис. 5.3 приведена конструкция первого отечественного меж-
дугородного оптического кабеля типа СЛ-50-1-6, проложенного в
1985 г. под Петербургом на участке длиной около 140 км. Кабель
состоит из полимерных трубок 2 (в шести из них имеются оптичес-
кие волокна), из стального многопроволочного троса 3 с полиэти-
леновым покрытием, полиэтиленовых оболочек 6, оплетки из сталь-
ных проволок 5 (защита от грызунов). Интересно отметить, что
кабель имел допустимое усилие на растяжение всего 1000 Н, т.е. в
семь раз меньше, чем минимально допустимое усилие на растяже-
ние, действующее в настоящее время при прокладке оптических
кабелей непосредственно в гравийно-песчаном грунте. И, что уди-
вительно, он был проложен специалистами СМП-852 с применением
кабелеукладчика. На основании
опыта эксплуатации этого кабеля в
1990 г. были разработаны требова-
ния к оптическим и механическим
характеристикам отечественных
оптических кабелей для оператив-
но-технологической и магистраль-
ной железнодорожной связи. Од-
нако, по известным причинам,
отечественная промышленность тех
лет не смогла организовать серий-
ное производство оптических ка-
белей для нужд железнодорожно-
го транспорта.
В настоящее время изменилась
идеология построения сетей желез-
нодорожной связи, и вопрос
производства железнодорожных
оптических кабелей связи не стоит
так остро, как в конце 80-х начале
90-х годов. Построение сетей же-
Рис. 5.3. Конструкция первого
отечественного
междугородного оптического
кабеля связи:
1 — оптическое волокно;
2 — полимерная трубка;
3 — стальной трос; 4 — полиэти-
леновое покрытие; 5 — сетка
из стальной проволоки; 6 — поли-
этиленовые оболочки
131
лезнодорожной связи может быть выполнено на базе уже освоенной
номенклатуры оптических кабелей.
Серийно выпускают большое количество отечественных между-
городных (типа ОМЗКГ) городских оптических кабелей (типа ОК)
и зоновых оптических кабелей (типа ОЗКГ). Например, кабели марки
ОЗКГ-1 предназначены для прокладки в кабельной канализации,
грунтах всех категорий, кроме подверженных мерзлотным деформа-
циям, а также при речных переходах несплавных рек. Их можно
прокладывать ручным и механизированным способами и эксплуати-
ровать при температуре окружающей среды от -40 до +55°С. Пол-
ная маркировка кабеля ОЗКГ-1-0,7-4/4 означает: 1 — номер разра-
ботки; 0,7 — коэффициент затухания; 4 (числитель) — число опти-
ческих волокон; 4 (знаменатель) — число медных жил. На рис. 5.4
приведена конструкция кабеля типа ОЗКГ с профильным сердеч-
ником.
К сожалению, среди заводов изготовителей кабельной продукции
отсутствует единая маркировка оптических кабелей подобная той,
которая существует для электрических кабелей связи.
Рис. 5.4. Конструкция кабеля типа
ОЗКГ с профильным сердечником:
1 — оптическое волокно; 2 — профильный
сердечник; 3 — упрочняющие нити СВМ;
4 — скрепляющая лента; 5 — армирую-
щий элемент из нитей; 6— оболочка арми-
рующего элемента из полиэтилена;
7 — оболочка сердечника кабеля;
8 — внешняя оболочка; 9 — скрепляющая
лента
5.4.1. Условные обозначения кабелей
ЗАО «ТрансВок» и ЗАО СОКК
Компания «ТрансВок» в обозначении марки ОКС придерживается
принципа описания элементов его конструкции последовательно от
наружного к внутренним элементам: материал внешней защитной
оболочки, обозначения защитных покровов, материал внутренней
защитной оболочки, число оптических модулей, материал централь-
ного силового элемента, число и тип оптических волокон.
132
Схема условного обозначения кабеля имеет вид:
аааа — бвг — д/е(ж)з — и(к)/л(м)
аааа — тип кабеля:
ОКМС— диэлектрический самонесущий для подвески;
ОКМТ— диэлектрический для прокладки в трубопроводе;
ОКЗ — с броней из стальной гофрированной ленты.
б — внешняя оболочка;
— полиэтиленовая оболочка (в обозначениях не указыва-
ется);
В — оболочка из поливинилхлоридного пластиката;
Н — не распространяющая горение;
в — защитные покровы:
А — обмотка из арамидных нитей;
С — броня из стальной гофрированной ленты;
г — внутренняя оболочка:
— полиэтиленовая оболочка (в обозначении не указывает-
ся);
П — полиамидная оболочка;
д/е — число оптических/заполняющих модулей (6; 8 — общее
число модулей в кабеле);
ж — номинальный наружный диаметр оптических и заполня-
ющих модулей, мм (2,0); (2,4); (3,0) — указывается в
скобках;
з — центральный силовой элемент;
Сп — стеклопластиковый пруток;
Т — стальной трос в полимерной оболочке;
и(к)/л(м) — число одномодовых оптических волокон одного/дру-
гого типа в кабеле; общее число оптических волоке н в
кабеле — 6...96. Тип волокна указывается в скобках
после числа волокон данного типа в кабеле;
(2), (3), (5) — одномодовое оптическое волокно по рекоменда-
циям МСЭ-Т, соответственно рек. G. 652, G. 653, G. 655.
Пример маркировки оптического кабеля ЗАО «ТрансВок» ОКМС-
А-4/2(2,4)Сп-8(2)/8(5) и ее расшифровки:
оптический кабель диэлектрический самонесущий;
внешняя оболочка из полиэтилена;
защитные покровы из арамидных нитей;
внутренняя оболочка из полиэтилена;
число оптических модулей — 4, число заполняющих моду-
лей — 2;
133
номинальный внешний диаметр модулей — 2,4 мм;
центральный силовой элемент — стеклопластиковый пруток;
8 стандартных одномодовых оптических волокон соответствую-
щих рек. G. 652;
8 одномодовых оптических волокон с ненулевой смещенной дис-
персией, соответствующих рек. G. 655.
Маркировка оптических кабелей ЗАО СОКК состоит из последо-
вательности букв и цифр, которые обозначают область применения
кабеля, его технические характеристики и описание элементов конст-
рукции последовательно от центра кабеля к наружной поверхности.
Схема условного обозначения кабеля имеет вид:
ХХХХ — а — б — в — г/д — е/ж — з/и — к — (XX ),
где ХХХХ — тип кабеля;
а — характеристика центрального силового элемента (ЦСЭ);
01 — не металлический ЦСЭ;
02 — стальной ЦСЭ в пластмассовой оболочке;
б — количество элементов в повиве сердечника кабеля;
в — количество оптических волокон в кабеле.
Характеристики волокна:
г/д —тип оптического волокна: г — диаметр сердцевины ОВ,
мкм; д — диаметр отражающей оболочки, мкм;
е/ж — значение максимального коэффициента затухания;
дБ/км: е — на длине волны 1,31 мкм; ж — на длине
волны 1,55 мкм;
з/и — значение хроматической дисперсии, пс/(нм-км): з — на
длине волны 1,31 мкм; и — на длине волны 1,55 мкм;
к — значение допустимой растягивающей нагрузки, кН;
(XX) — дополнительная информация, например, (нг) — кабель
с негорючей оболочкой; (Ап) — кабель, содержащий
алюмополиэтиленовую оболочку и т.д.
Например маркировка кабеля: ОКЛСт — 01 — 6 — 8 —
10/125 — 0,36/0,22 — 3,5/18 — 7,0 — (нг) означает, что оптический
кабель, предназначенный для подземной прокладки, рис. 5.5, содержит
броневой покров в виде стальной гофрированной ленты, центральный
силовой элемент из стеклопластика, вокруг которого скручены шесть
элементов; 8 стандартных одномодовых волокон с коэффициентом
затухания не более 0,36 дБ/км и дисперсией не более 3,5 пс/((нм-км)
на длине волны 1,31 мкм и не более 0,22 дБ/км и дисперсией не более
18 пс/((нм«км) на длине 1,55 мкм. Максимальная растягивающая на-
грузка 7 кН; наружная оболочка выполнена из негорючего материала.
134
Рис. 5.5. Конструкция кабеля типа
ОКЛСт:
1 — оптическое волокно; 2 — гидро-
фобный заполнитель; 3 — централь-
ный силовой элемент; 4 — водоблоки-
рующая лента; 5 — полимерная
трубка; 6 — скрепляющая лента;
7 — вспарывающий корд; 8 — водо-
блокирующая лента; 9 — полимерная
оболочка; 10 — стальная гофриро-
ванная лента (зетабон); 11 — марки-
ровка
5.4.2. Конструкции оптических кабелей
ЗАО СОКК
Ниже приведены конструкции и технические характеристики не-
которых видов оптических кабелей, изготавливаемых вышеназванной
компанией.
Кабель типа ОКЛ — 01(02), рис. 5.6, выпускается двух модифика-
ций: для прокладки в трубах, коллекторах кабельной канализации а так-
же внутри зданий и для прокладки в полиэтиленовых трубопроводах.
Технические характеристики кабелей следующие:
Количество ОВ-2...................................144
Диаметр кабеля, мм ..........................10,0-20,0;
Вес кг/км......................................80-350
Коэффициент затухания, Н/км, не более:
на длине волны 1,31 мкм .....................0,34
на длине волны 1,55 мкм........................0,20
Хроматическая дисперсия, пс/(нм-км), не более:
на длине волны 1,31 мкм.......................3,5
на длине волны 1,55 мкм..........................18
Допустимое раздавливающее усилие, Н/см, не менее....200
Допустимое растягивающее усилие, Н........от 1000 до 3000.
Кабель для подземной прокладки типа ОКЛК-01(02), рис. 5.7,
имеет броневой покров из круглых стальных проволок и поэтому
допускает воздействие более высоких механических нагрузок:
допустимое раздавливающее усилие, Н/см, не менее...1000
допустимое растягивающее усилие, Н.......от 7000 до 80000
135
10
Рис. 5.6. Конструкция кабеля типа ОКЛ:
1 — полиэтиленовая оболочка; 2 — алюмопо-
лиэтиленовая оболочка; 3 — водоблокирую-
щая лента; 4 — скрепляющая обмотка; 5 —
гидрофобный компаунд; 6 — центральный
силовой элемент; 7 — кордель; 8 — гидро-
фобный компаунд; 9 — оптический модуль;
10 — оптические волокна; 11 — маркировка
Рис. 5.7. Конструкция кабеля типа
ОКЛК:
1 — оптическое волокно; 2 — гидро-
фобный заполнитель; 3 — центральный
силовой элемент; 4 — водоблокирующая
лента; 5 — полимерная трубка;
6 — скрепляющая лента; 7 — вспарыва-
ющий корд; 8 — стальная оцинкованная
проволока; 9 — полимерная оболочка;
10 — маркировка
Рис. 5.8. Конструкция кабеля типа
ОКГТ-МТ:
1 — оптическое волокно; 2 — гидрофоб-
ный заполнитель; 3 — центральная поли-
мерная трубка; 4 — проволоки стальные
оцинкованные; 5 — алюминиевая оболоч-
ка; 6 — проволоки стальные с алюмини-
евым покрытием; 7 — проволоки из алю-
миниевого сплава
5.9. Конструкция кабеля типа ОКЛЖ:
1 — оптическое волокно; 2 — гидрофобный
заполнитель; 3 — центральный силовой эле-
мент; 4 — силовые элементы; 5 — корделы
6 — скрепляющая лента; 7 — вспарываю-
щий корд; 8 — полимерная трубка;
9 — полимерная оболочка; 10 — маркировка
136
Кабель оптический, встроенный в грозозащитный трос типа
ОКГТ-МТ, рис. 5.8, предназначен для подвески на опорах ЛЭП на-
пряжением до 220 кВ.
Кабель оптический, самонесущий, диэлектрический типа ОКЛЖ,
рис. 5.9, предназначен для подвески на опорах контактной сети элек-
трифицированных железных дорог.
5.5. Развитие зарубежных технологий
производства оптического волокна
и кабеля
Чтобы оценить качество отечественного или зарубежного оптичес-
кого кабеля полезно иметь представление о достижениях в области
технологий производства оптических волокон и кабелей, а также
мотивы изменения требований к характеристикам волокон и оптичес-
ких кабелей за последнее десятилетие.
В начале девяностых годов результатом развития технологий про-
изводства оптического волокна и кабеля стало снижение стоимости
производства как оптических волокон, так и волоконно-оптических
кабелей.
Увеличение производительности установок для вытяжки волокна
привело к значительному улучшению качества и надежности оптичес-
ких волокон, а также способствовало ужесточению контроля за
характеристиками и геометрией волокон, что позволило упрощать
структуру кабельного сердечника и увеличивать количество содер-
жащихся в нем волокон. Новое технологическое оборудование
позволило в реальном масштабе времени осуществить контроль
избыточной длины волокна в оптическом модуле, т.е. наиболее важ-
ной характеристики определяющей изменение параметров передачи
оптического волокна при воздействии на кабель растягивающих
усилий.
5.5.1. Развитие технологии производства
оптических волокон
Совершенствование технологии производства оптических волокон
направлено на уменьшение стоимости производства и улучшение всех
137
характеристик волокна. На рис. 5.10 приведено изменение стоимости
одного метра одномодовых и многомодовых оптических волокон в
период с 1983 по 1995 гг. Стоимость волокон уменьшается, причем
наибольшее снижение цен претерпело одномодовое волокно, цена ко-
торого за указанный период уменьшилась более чем в 10 раз.
Для увеличения длины регенерационных участков необходимо
уменьшать затухание смонтированной волоконно-оптической линии.
В 1994 г. на телекоммуникационном рынке появились оптические
волокна с затуханием менее 0,2 дБ/км, а именно 0,195 дБ/км, на
длине волны 1,55 мкм, что всего на 0,05 дБ/км больше, чем теоре-
тически возможный минимум. Поэтому основное внимание произво-
дители волокна переключили на уменьшение допусков отклонений от
номинальных величин различных параметров, см. п. 4.2. Это по-
зволило значительно уменьшить затухание на стыке волокон при
их соединении сваркой или с применением механических соеди-
нителей.
Следствием улучшения геометрических характеристик оптических
волокон стало увеличение процента удачных сварок в полевых усло-
виях.
Более высокие требования к геометрическим и оптическим пара-
метрам волокон реализованы через ужесточение производственных
допусков. Так, за три года в период с 1991 по 1993 гг., допуски на
Рис. 5.10. Изменение стоимости оптических волокон:
1 — одномодовое волокно; 2 — многомодовое волокно
138
диаметр модового поля сократились с ± 1 мкм до ± 0,5 мкм. В
течение того же периода допустимое отклонение внешнего диаметра
волокна уменьшилось с ± 3 мкм до ± 2 мкм, причем многие произ-
водители установили ограничение ± 1 мкм.
Улучшение качества оптических волокон сопровождалось по-
вышением надежности предлагаемой на рынке продукции. При испы-
тании на разрыв было удвоено напряжение растяжения. Более
подробно механические характеристики волокон были рассмотрены
в п. 4.3.
Технологические процессы изготовления волокна характеризуют-
ся значительным повышением скорости вытягивания волокна с целью
повышения однородности изготавливаемой продукции. Конечной це-
лью является квазинепрерывный процесс производства, устраняющий
перерывы в работе и уменьшающий потребности в людских ре-
сурсах.
Появление агрегатов для тяжения волокна высотой до 20 м и
систем высокоскоростного регулирования и контроля позволило
повысить скорость вытяжки волокна со 100 м/мин до почти
1000 м/мин. Скорость испытания на прочность и перемотки волокна
достигли 1000-1200 м/мин.
В 1994 г. длина волокна, получаемого из одной заготовки, сос-
тавляла около 80-100 км. Следующее поколение заготовок по
данным на 1994 г. позволило достичь длин 200-300 км. Такой
прогресс стал возможен благодаря применению плазменной техно-
логии.
Основной принцип при производстве оптических волокон — это
стремление получить наилучшие технические характеристики опти-
ческих волокон безотносительно области их дальнейшего примене-
ния. Волокна с более низкими техническими характеристиками стоят
дешевле.
5.5.2. Развитие технологий оптических кабелей
Главным стимулом развития оптических кабелей послужило дав-
ление рынка, обусловленное, с одной стороны, появлением но-
вых областей применения оптических кабелей и, с другой стороны,
необходимостью снижения цен ввиду сильной международной конку-
ренции из-за временного насыщения мирового рынка данной кабель-
ной продукцией.
Стратегия, принятая производителями, состоит в развитии и изго-
товлении всех типов кабелей для применения во всевозможных типах
139
сетей: прокладка в метро и вдоль железных дорог, системы связи и
сигнализации для железнодорожных компаний, корпоративные сети.
В 80-х годах в большинстве европейских стран и в определенной
степени в США и Японии сердечник кабеля содержал группу опти-
ческих модулей или профилированный сердечник из термопластика.
Сам кабель представлял собой совокупность трубок или профилиро-
ванный сердечник с силовыми элементами и в необходимых случаях
броневыми покровами для защиты от механических повреждений.
Значительные капитальные вложения в производство оптических
кабелей позволили сначала достичь конкурентоспособных показате-
лей по стоимости и качеству при построении систем передачи на
большие расстояния и межстанционного обмена в сравнении с элек-
трическими кабелями, а затем превзойти их.
Развитие технологии волоконно-оптических кабелей реализуется
в виде:
разработок новой конструкции оптических кабелей;
уменьшении стоимости;
интеграции волокна и кабеля в единую систему;
оптических волокон (переход от многомодового волокна к одно-
модовому; с длины волны 1,31 на 1,55 мкм);
цифровых и аналоговых систем передачи (прогресс в области оп-
тоэлектронных компонентов, включая оптические усилители).
Принципы конструирования оптических кабелей с момента их
появления в 1975-1980 гг. постоянно совершенствовались. Это стало
возможным благодаря совпадению во времени технического прог-
ресса.
Разнообразие волоконно-оптических систем передачи и топологии
сетей оказало значительное влияние на конструкцию оптических ка-
белей. Появление распределительных сетей и абонентского доступа
привело к необходимости учета специфических ограничений, связан-
ных с высокой плотностью волокон в кабеле и их расположением.
Цифровые высокоскоростные системы передачи на большие рассто-
яния с использованием только оптических усилителей, а также широ-
кополосные телевизионные каналы требуют поддержания низкого зна-
чения дисперсии поляризации моды. Эта характеристика должна
оставаться стабильной в течение всего срока эксплуатации, несмотря
на воздействие окружающей среды и изменяющиеся внутренние на-
пряжения кабельных материалов. Это требует при конструировании
кабеля рассматривать волокно и остальные элементы оптического
кабеля как единую взаимосвязанную систему.
140
Нижеследующие два вида конструкций оптических кабелей иллю-
стрируют развитие технологий.
5.5.3. Самонесущий кабель для подвески на опорах
контактной сети
По доступным нам данным впервые самонесущий оптический
кабель для нужд железнодорожного транспорта был подвешен на
опорах контактной сети ФРГ в 1988 г. Сердечник кабеля имел повив-
ную скрутку из оптических модулей.
В начале девяностых годов компания AT&T разработала полнос-
тью диэлектрический самонесущий оптический кабель с сердечником
из повива оптических модулей, а также с сердечником в виде общей
для всех волокон трубки (Lightpack core).
В середине девяностых годов фирма Сименс разработала диэлек-
трический самонесущий оптический кабель, сердечник которого со-
стоит из одной гладкостенной центральной трубки вначале со свобод-
но лежащими нескрученными волокнами, а в дальнейшем и со
скрученными волокнами. Благодаря большему, чем у традиционных
оптических модулей, внутреннему диаметру этой трубки кабель имеет
больший запас по относительному удлинению волокон по сравнению
с повивной скруткой оптических модулей. На рис. 5.11 приведены
кривые изменения деформации кабеля (допустимая растягивающая
нагрузка кабеля равна 9 кН, разрывное усилие — 36 кН) и волокна
в зависимости от величины растягивающего усилия для двух вариан-
тов конструкции сердечника: из оптических модулей и одной цент-
ральной трубки. Как видно из данных рисунка, волокна в централь-
ной трубке не испытывают деформации, в то время как в случае
повивной скрутки из оптических модулей деформация имеет место
при растягивающих усилиях выше 9 кН, что вызывает увеличение
затухания оптического волокна.
Фирма Нокия запатентовала конструкцию сердечника кабеля, со-
стоящего также из одной центральной трубки, но со спиральной ук-
ладкой волокон внутри спиральной трубки, под торговой маркой
«Spiral Space». Эта конструкция сердечника выдерживает большее
раздавливающее усилие, чем повивная скрутка.
Кабель с сердечником в виде общей для всех волокон централь-
ной трубки имеет следующие преимущества по сравнению с кабеля-
ми, имеющими повивную скрутку оптических модулей или профили-
рованный сердечник:
вес кабеля меньше;
141
Деформация, %
Изменение
затухания, дБ/км
Растягивающее
усилие, кН
Рис. 5.11. Деформация кабеля и оптических волокон при растягивании:
1 — (пунктир) — оптические волокна в оптическом модуле; 2 — оптические
волокна в центральной трубке
внешняя оболочка кабеля имеет меньший диаметр (меньше ветровая
нагрузка);
оптические волокна лучше защищены от внешних воздействий;
стоимость кабеля меньше, так как производство кабеля требует
меньшего числа технологических операций.
Организацию производства новых конструкций самонесущих опти-
ческих кабелей, требующих отладки новых технологических линий, в ус-
ловиях малого спроса, могут позволить себе, как правило, мощные транс-
национальные компании. Фирмы-изготовители оптических кабелей
обычно придерживаются стратегии выпуска продукции, при которой по-
требителю предлагают несколько базовых конструкций сердечников ка-
беля и несколько вариантов защитных покровов кабеля. При заказе партии
кабелей потребитель указывает выбранную им пару «сердечник-покров»,
которые, по его мнению, наиболее близко соответствуют условиям приме-
нения кабелей, а также тип и количество волокон.
5.5.4. Ленточные кабели
Доведение узкополосных и широкополосных услуг связи непос-
редственно до места проживания или служебных помещений близко
к тому, чтобы стать реальностью. Хотя тип доступа системы (точка —
точка или точка — несколько точек) еще не определен, будущее,
вероятнее всего, принадлежит кабелям с высокой плотностью упа-
ковки оптических волокон, а именно ленточным кабелям.
142
Ограниченный объем и вес ленточных кабелей упрощает их про-
кладку, а матричная организация волокон облегчает процесс их сра-
щивания, за счет возможности одновременного соединения группы
волокон при помощи сварки или коннекторов. Однако, качество это-
го массового сращивания будет удовлетворительным, если использу-
ются волокна с превосходными геометрическими характеристиками.
Высокая точность, требуемая системой выравнивания волокон, может
быть достигнута при низких затратах. Проведенные за рубежом ис-
следования позволили наладить выпуск стеклянных блоков наконеч-
ников, технология производства которых является более простой и
дешевой по сравнению с производством керамических наконечни-
ков. Заметим, что и при использовании в сетях доступа многопарных
симметричных кабелей конструкция их сердечника содержит не от-
дельно скрученные пары, а пучки пар, что облегчает процесс сращи-
вания пар с применением групповых сжимаемых соединителей по
сравнению с обычной повивной скруткой.
Снижение стоимости остается существенным требованием как для
кабелей обычной структуры, так и для ленточных кабелей. Это может
быть достигнуто за счет использования новых кабельных материалов
для изготовления оптических кабелей.
Исходные материалы, используемые в волоконно-оптическом ка-
беле, обуславливают более 50% его стоимости (исключая волокна).
Кроме уменьшения размеров кабеля за счет оптимизации его струк-
туры в зависимости от будущего применения, а также улучшения
характеристик волокон идет поиск экономичного сырья с требуемы-
ми техническими свойствами.
По мнению специалистов фирмы «Алкатель», это особенно каса-
ется:
покрытий для волокон и ленточных матриц (замены акрилата в
смеси с полиуретаном на виниловый эфир позволяет повысить ско-
рость вулканизации и улучшает химическую стабильность).
Ведется поиск оптимального светоинициатора (светочувствитель-
ной части материала, вызывающей полимеризацию).
Материалов кабельных изделий (замена полибутилена терефталата
на полипропилен).
Выбора наилучшего компаунда — наполнителя по различным кри-
териям, включая совместимость с первичным и вторичным покрыти-
ем волокон.
Продолжаются исследования со слабогорючими материалами, не выде-
ляющими токсичных газов, д ля применения внутри помещений и в метро.
143
Контрольные вопросы
1. Чем определяется многообразие конструкций оптических кабелей?
2. Перечислите основные элементы конструкций ОКС и поясните их
назначение?
3. Конструкции сердечника ОКС.
4. Назначение упрочняющих элементов в ОКС.
5. Пояснить преимущество SZ-скрутки оптических модулей по срав-
нению со спиральной скруткой.
6. Вследствие каких причин возможно ухудшение параметров переда-
чи оптического кабеля в процессе эксплуатации?
7. Меры по предотвращению распространения влаги вдоль ОКС и
пояснить возможные последствия от попадания влаги в элементы его
конструкции.
Глава 6
ПРОЕКТИРОВАНИЕ,
СТРОИТЕЛЬСТВО И МОНТАЖ
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ
ЛИНИЙ СВЯЗИ НА
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ
ТРАНСПОРТЕ
Строительство ВОЛС начинается с разработки проекта и заканчива-
ется измерениями ВОЛС перед пуском линии в эксплуатацию. Завер-
шающим этапом окончания строительства ВОЛС является переход
линии или сети связи в эксплуатацию. Аналогично сеть связи оформ-
ляется после реконструкции или ее развития. На рис. 6.1 представлена
схема, позволяющая специалистам представить этапы построения
ВОЛС независимо от ее уровня (магистральная, дорожная или местная
связь). Конечно, эта схема условна, но она дает общее представление о
трудоемкости создания ВОЛС независимо от ее размеров.
Кроме СНиП при проектировании ВОЛС на железной дороге ис-
пользуются дополнительные руководящие документы, выпущенные
головной проектной организацией ГТСС или предложенные к исполь-
зованию при самостоятельном проектировании. Основными руково-
дящими документами по проектированию ВОЛС на железной дороге
являются:
1. Ведомственные нормы технологического проектирования элек-
тросвязи на железной дороге (ВНТП/МПС-91).
2. Рекомендации по проектированию ВОЛС на железнодорожном
транспорте (И-214-92).
3. Типовые проектные решения 419813: альбом N1 — подвеска
ВОК на опорах контактной сети; альбом N2 — подвеска ВОК на
высоковольтно-сигнальных линиях автоблокировки.
При проектировании ВОЛС на железнодорожном транспорте вопросы,
касающиеся выбора типа ВОК и его технических характеристик, а так-
же выбор линейно-кабельного оборудования, необходимо проводить с ис-
145
Рис. 6.1. Схема организации работ по построению ВОЛС
на железной дороге
146
пользованием дополнительных документов, рекомендованных Междуна-
родным Союзом Электросвязи (МСЭ-Т) и принятыми национальными ко-
митетами по телекоммуникациям, в том числе и РФ:
1. Рекомендации.
2. Правила проектирования с помощью персонального компьюте-
ра (PC).
3. Рекомендации ITU-T (до 1993 г. МККТТ):
G-652 — оптические и механические характеристики ОВ нормаль-
ного типа;
G-653 — оптические и механические характеристики ОВ со сдви-
гом 0-й дисперсии;
G-654 — оптические и механические характеристики ОВ с мини-
мизацией затухания на длине волны 1550 нм;
G-655 — оптические и механические характеристики ОВ с нену-
левой ПМД;
G-650 — методика измерения и тестирования оптических волокон.
4. Рекомендации:
G-957 — параметры передачи и приема ВОСП;
G-958 — организация цифрового линейного тракта;
Особенности состава проекта при проектировании ВОЛС на же-
лезнодорожном транспорте определяются:
1. Очень большими длинами регенерационных участков систем
передачи.
2. Значительным количеством каналов связи.
3. Высокими требованиями к качеству систем электроснабжения
систем передачи.
4. Необходимостью в обеспечении высоких требований к микро-
климату (температура, влажность).
Состав проекта по линейным сооружениям ВОЛС отражен в нор-
мах технологического проектирования (ВНТП/МПС-91), которые яв-
ляются обязательными при проектировании нового строительства,
расширения, реконструкции и технического перевооружения действу-
ющих сооружений электросвязи на железнодорожной колеи 1520 мм
общей сети и внешних подъездных путей, на которых предполагается
движение поездов до 200 км/ч.
Если проектирование сооружений электросвязи осуществляется
для участков желехных дорог, на которых намечается движение по-
ездов со скоростью более 200 км/ч, внутренних железнодорожных
подъездных путей промышленного транспорта, временных, уникаль-
147
ных и специальных сооружений электросвязи, то используются нети-
повые решения.
Министерство путей сообщения Российской Федерации имеет не-
сколько проектных институтов и организаций, занимающихся проектиро-
ванием железных дорог РФ. Как правило, эти организации имеют отделы,
занимающиеся проектированием сетей связи и телекоммуникаций.
Головной организацией, проектирующей магистральные, дорож-
ные и местные сети связи является Государственное унитарное пред-
приятие «Гипротранссигналсвязь» (ГТСС).
Как головная проектная организация в системе МПС РФ ГТСС
отвечает за разработку и обеспечение всех отделов связи норматив-
ной документацией по проектированию, строительству и монтажу
ВОЛС. Это предприятие осуществляет стыковку всех проектных ре-
шений ведомственных сетей связи МПС РФ через головные проект-
ные организации «Гипросвязь» с сетями связи общего пользования
Министерства связи РФ.
Основными нормативными документами при строительстве се-
тей связи служат строительные нормы и правила (СНиП), среди
которых важнейшим документом является инструкция (СНиП
11-01-95) о порядке разработки, согласования, утверждения и составе про-
ектной документации на строительство предприятий, зданий и сооружений.
К особенностям состава проекта ВОЛС следует отнести высокую
пропускную способность одномодовых ОВ, что привело к новым
направлениям в расчетах, которые рассматриваются в разделе «тех-
нологические решения по линейным сооружениям».
Многие вопросы, решаемые при проектировании ВОЛС, та-
кие как: выбор типа ОВ; расчет максимальной длины регенерационного
участка; определение мест установки оптических усилителей; вопросы
использования технологии спектрального уплотнения на проектируемой
линии, аналогичны вопросам, решаемым при проектировании линий на
кабелях с медными жилами (выбор диаметра жил, выбор типа скрутки,
расчет диаграммы уровней и т.д.).
6.1. Основы проектирования кабельных
ВОЛС
Основным документом для проектных, строительно-монтажных орга-
низаций, организаций, обеспечивающих эксплуатацию систем связи,
включая службы информатизации и связи, научные, а также учебные за-
ведения МПС, является «Концепция создания сетей связи МПС с интегра-
148
цией услуг» [ ]. Как часть инфраструктуры МПС России связь составляет
техническую основу системы управления всеми технологическими про-
цессами в отрасли: перевозочным, грузовым и пассажирским процесса-
ми; эксплуатационной работой хозяйств; социальной сферой; экономикой;
наукой и т.д. Эффективность системы управления многоотраслевым хо-
зяйством МПС в значительной мере определяется информационными воз-
можностями ее сети связи, качественные и количественные характеристи-
ки которых существенно влияют на экономические показатели.
Нарастающая тенденция развития коммерческой деятельности
предприятий связи МПС требует предоставления широкого спектра
услуг с высоким качеством. Без перехода на новые технологии с
использованием ВОЛС, цифровых систем передачи и коммутации
решение этой задачи становится невозможным.
Основными направлениями технического развития и совершен-
ствования сетей связи МПС являются внедрения высокоскоростных
ВОЛС, цифровых систем передачи и коммутации. Для обеспечения
технических требований по сопряжению общетехнологическая сеть
МПС должна строиться в соответствии с действующими в отрасли
«Связь» руководящими документами по структуре функционирова-
ния телефонных сетей.
В качестве основного вида направляющей системы при новом
строительстве и увеличении пропускной способности действующей
сети следует принять волоконно-оптический кабель (ВОК), как обла-
дающий наибольшей помехозащищенностью, пропускной способнос-
тью и допускающий различные варианты подвески, прокладки в за-
висимости от условий эксплуатации. В настоящее время стоимость
ВОК сопоставима, а в ряде случаев ниже стоимости магистральных,
симметричных кабелей связи. При этом ВОК изготавливаются с тре-
буемыми заказчиком конструктивными и механическими характери-
стиками под конкретные условия прокладки и эксплуатации.
Для организации магистральных, дорожных и местных ВОЛС не-
обходимо использовать кабели связи с одномодовыми ОВ. Волокон-
но-оптические кабели, используемые при строительстве ВОЛС на
грузонапряженных участках, должны иметь не менее 16 волокон; на
малозагруженных участках или для подключения удаленных от маги-
страли объектов — не менее 8 волокон для обеспечения резервиро-
вания и защиты. Кабели должны быть одномодовыми и сертифициро-
ваны для длин волн 1,31 мкм и 1,55 мкм. Для организации сети
оперативно-технологической связи на скорости 2,048 кбит/с должна
быть предусмотрена возможность выделения отдельных волокон [4].
149
На сети связи МПС России следует использовать преимуществен-
но ВОК без металлических элементов в их конструкции, как не тре-
бующих применения специальных мер защиты от опасных электро-
магнитных влияний со стороны контактной сети переменного тока и
грозовых разрядов.
При выборе типа ВОК следует отдавать предпочтение кабелям со
стандартным волокном, обеспечивающим работу систем STM-1/16.
При этом могут быть использованы как отечественные кабели типа
ДПТ (для подвески на опорах) и типа ДПС (для прокладки в грунт),
так и кабели зарубежных фирм при наличии сертификата Министер-
ства связи. ВОК может быть уложен непосредственно в грунт, в
полиэтиленовом трубопроводе в кабельном желобе, подвешен на
опорах контактной сети или высоковольтных линий автоблокировки,
а также на стойках существующих воздушных линий связи.
Из перечисленных способов на железнодорожном транспорте наи-
более экономически эффективным является способ подвески ВОК на
существующих опорах (контактных сетей, линий автоблокировки и
воздушных линий связи). Для снижения вероятности повреждения
ВОК на подходах к железнодорожным станциям и в пределах станций
рекомендуется применять прокладку кабеля в полиэтиленовом трубо-
проводе. Полиэтиленовый трубопровод с толщиной стенок 4 мм на-
дежно защищает ВОК от механических повреждений и грызунов. Ди-
аметр трубопровода должен быть достаточен для затягивания в него
нескольких ВОК (от 30 до 65 мм). Прокладку ВОК в трубопроводе
также целесообразно использовать при комплексной реконструкции
железнодорожного участка, при новом строительстве или реконст-
рукции линейных систем автоблокировки, требующих рытья траншей
и прокладки металлических кабелей.
6.1.1. Состав проекта, краткое изложение
его основных разделов
Как правило, проект состоит из нескольких томов. Это позволяет про-
ектировщикам вести работу одновременно по всем разделам, с использо-
ванием систем автоматизированного проектирования [7].
Пояснительная записка. Должна содержать:
Основной документ для разработки проекта на строительство ВОЛС,
его соответствие положениям из «Концепции создания сетей связи МПС
России с интеграцией услуг». Обоснование в необходимости строитель-
ства или реконструкции ВОЛС. Место проектируемой ВОЛС в магист-
ральной первичной сети ВСС и взаимосвязь данной линии с другими су-
150
шествующими линиями и объектами общегосударственной сети связи, ее
мощность, виды организуемых каналов, трактов и передаваемой инфор-
мации, очередность строительства и состав пусковых комплексов.
Выбор направления и характеристика трассы проектируемой ка-
бельной линии, обоснование размещения промежуточных и оконеч-
ных пунктов, сетевых узлов. Сведения о рассмотренных вариантах
выбора трассы и результаты технико-экономического обоснования
принимаемого варианта.
Схемы узлообразования и организации связи на магистральной
линии с указанием распределения каналов.
Краткое изложение проектных решений по отдельным видам со-
оружений магистральной ВОЛС, необходимость строительства зда-
ний, вспомогательных сооружений, обоснование объемов жилищно-
го и культурно-бытового строительства.
Принятые принципы системы эксплуатации на линии, систему уп-
равления сетью. Расчет потребности в основных категориях эксплу-
атационного штата, транспортных средствах и средствах механизации
по обслуживанию.
Организацию и соображения по срокам строительства, освоения
мощностей, последовательность ввода объектов.
Специальные мероприятия и мероприятия по гражданской оборо-
не. Мероприятия по технике безопасности и охране труда, охране
окружающей природой среды.
Потребные капитальные вложения на строительство ВОЛС, основ-
ные документы, используемые в качестве исходных при составлении
сметной документации.
Сведения о проведенных согласованиях и сроках их действия, о
возможных периодах производства работ и соответствии проектных
решений действующим нормам и правилам.
Основные технико-экономические показатели проекта. Сопоставле-
ние основных технико-экономических показателей проекта с утверж-
денными нормативами, показателями проекта, принятого в качестве
аналога, а также с показателями, характеризующими мировой уровень
развития, прогнозируемый на период ввода ВОЛС в эксплуатацию.
Основные исходные данные и результаты технико-экономических
расчетов эффективности и целесообразности строительства магист-
ральной ВОЛС.
Анализ сметной стоимости по видам сооружений, эксплуатацион-
ных расходов и эффективности капитальных вложений.
Выводы об эффективности строительства данной линии.
151
К тому прилагается: пояснительная записка к расчету каналов
связи; ситуационная схема трассы линии; схемы организации связи,
распределения каналов и узлообразования; ситуационные планы
и др.
Технологические решения. Отражены в следующих разделах:
Раздел 1. Линейные сооружения. В нем содержится:
Трасса проектируемых кабелей. Типы и способы прокладки маги-
стральных и соединительных кабелей. Переходы через сложные пре-
грады (водные, шоссейные, железнодорожные). Для ВОК, содержа-
щих металлические элементы, дополнительные мероприятия опреде-
ляются на основании результатов расчетов по защите ВОК от влияния
ЛЭП, эл. железных дорог, магнитных импульсов особого вида и
мощных радиостанций. Защита кабелей от коррозии и ударов молнии.
Устройство вводов в усилительные пункты. Эксплуатация магистрали
с решением вопросов ее автоматизации. Мероприятия по охране тру-
да и технике безопасности.
Чертежи: трассы, прокладки магистральных и соединительных
кабелей по участкам, схемы развозки кабелей. Ситуационная схема
трассы ВОЛС и схема эксплуатации. Защита кабелей от внешних
влияний, коррозии и ударов молнии (для ВОК с металлическими
элементами).
Раздел 2. Линейно-аппаратные залы и необслуживаемые усили-
тельные пункты. Он содержит:
Общие положения по строительству отдельных видов сооружений
(ЛАЗ) сетевых узлов и НУП. Состав проектируемого оборудования.
Планировка основных цехов с размещением оборудования. Указания
о порядке переключения связей. Организация эксплуатации с реше-
нием вопросов ее автоматизации. Мероприятия по технике безопасно-
сти и охране труда.
Чертежи: по каждому виду сооружений — принципиальная или
структурная схема, планы размещения оборудования.
Раздел 3. Электропитание ЛАЗ и организация резервного элек-
троснабжения.
Общие положения по строительству ЭПУ для пунктов кабельной
линии, классификация пунктов по условиям электроснабжения. Дис-
танционное питание НУП. Выбор и состав, а также размещение ос-
новного оборудования. Дизельные электростанции. Схема и выбор
системы телемеханики для эксплуатации НУП. Чертежи: структурная
схема ЭПУ. План размещения оборудования. Схемы подключения
шин питания в аппаратных. Объемные данные.
152
Организация строительства ВОЛС. Состоит из двух разделов:
организации строительства технологических сооружений и организации
строительства зданий и сооружений на площадках. Сводный календар-
ный план строительства магистральной кабельной линии связи и очеред-
ность ввода пусковых объектов. Потребность в рабочей силе, матери-
ально-техническое обеспечение. Основные машины, механизмы и
транспортные средства, потребные для строительства линейных соору-
жений. Сводные заказные спецификации, сводные заявочные ведомости
и комплектовочные ведомости на оборудование, кабели и материалы.
Чертежи: схема организации строительства линейных сооружений
и транспортировки кабеля, оборудования.
Сметная часть. В этой части проекта приводится сметная доку-
ментация по формам, принятым в «Инструкции о составе, порядке
разработки, согласования и утверждения проектно-сметной докумен-
тации на строительство предприятий, зданий и сооружений» (СНиП
11.01.-95). Она состоит из трех разделов:
в разделе 1 — приводятся сводка затрат, сводный сметный расчет,
объектные сметные расчеты по технологическим сооружениям,
объектные сметные расчеты на здания и сооружения, сметы на про-
ектно-изыскательские работы;
в разделе 2 — сводный сметный расчет и объектные сметные
расчеты на строительство жилых зданий и объектов культурно-быто-
вого назначения на площадках пунктов;
в разделе 3 — локальные сметные расчеты по всем видам проек-
тируемых сооружений.
Паспорт проекта. Для сдачи ВОЛС в эксплуатацию с целью
получения свидетельства от органов ГП «РОССВЯЗЬНАДЗОР» необ-
ходимо представить два паспорта: паспорт на систему передачи и
паспорт на ВОК.
6.1.2. Расчет длины регенерационного участка,
выбор типа ОВ
Расчет потерь на линии. Расчет потерь на линии производится
для определения требуемых параметров кабеля. Каждый участок си-
стемы должен быть проверен на индивидуальной основе. Оптическая
схема участка показана на рис. 6.2. Цель расчетов потерь на линии
заключается в том, чтобы сумма отдельных потерь между секциями
не превышала имеющийся потенциал оптических потерь на линии.
Информация, необходимая для расчета потерь на линии:
— потенциал усиления системы для указанного уровня BER;
153
Рис. 6.2. Оптическая схема участка
— число разъемов и потери на разъемах в применении к комму-
тационной панели (FDP).
— число сварок на эксплуатацию (предположительно) шесть, если
не указано иначе.
— средние потери на сварках. 0,2 дБ на механическую сварку и
0,05 дБ — на сварку путем плавления.
— потери в кабеле между помещениями, если необходимо;
— длина кабельной линии.
Необходимо использовать только одномодовые разъемы с высо-
ким коэффициентом затухания на отражение. В расчет не включаются
разъемы передающего и принимающего блоков линейного тракта, так
как они уже учтены в значениях усиления системы. Необходимо за-
казывать разъемы с низким отражением и минимально возможными
вносимыми потерями. Максимальные вносимые потери на этапе про-
ектирования для разъемов FC можно принять 0,7дБ.
Энергетический запас, выделенный для линии на время эксплуа-
тации, определяется заказчиком. Обычно рекомендуется до 3 дБ.
Оценка количества сварок. Если на этапе проектирования невоз-
можно точное определение числа сварок, то можно воспользоваться
следующей методикой их расчета:
NS = 1Шг + NF + NE-1,
где It — длина участка, км;
1г — стандартная длина кабеля на барабане, км;
NS— общее число сварок;
NE— число дополнительных сварок, требуемых физической кон-
фигурацией линейно-кабельного оборудования (например,
FDP и стыковые сварки при переходе с воздушного на под-
земный кабель);
NF — число сварок на эксплуатацию (в будущем). Если NF — не
целое число, округлите его.
Итоговая форма потерь. Для определения максимального зату-
хания на кабеле в дБм используется итоговая форма потерь, пред-
ставленная в табл. 6.1. Выбранное волокно должно равняться или
быть меньше данного требования. Итоговая форма обеспечивает крат-
154
кой информацией по каждому пункту, что удобно. Итоговая форма
должна готовиться для каждого оптического участка волоконно-оп-
тической системы.
1. Гарантированное усиление системы Pt = -1,5 дБм;
Рг = (-24,5 дБм);
G = Pt - Рг = 23 дБ.
2. Выделенный запас — 2 дБ.
3. Потери выделенной линии — 26 - 2 = 24 дБ.
4. Общее количество сварок: 120/5 + 2 + 4 = 30.
5. Потери на сварку: 0,05 дБ.
6. Общие потери на сварках: 30 • 0,05 = 1,5 дБ.
7. Число разъемов FDP — 2.
8. Потери на разъеме: 0,3 дБ.
9. Общие потери на разъемах: 2 • 0,3 = 0,6 дБ.
10. Общие потери между стойками — 1,5 + 0,6 дБ.
Примечание: Действительное допустимое затухание кабеля дол-
жно быть меньше, чем максимальный предел затухания кабеля, вы-
численный выше.
Данные для расчета максимальной длины регенерационого участ-
ка представлены в табл. 6.2.
Расчет максимальной длины регенерационного участка приводит-
ся ниже:
длина участка, ограниченная затуханием,
Т- А(дб) z X
2ЙИ I
121,0Skm= 23дб
0,19— '
КА
Длина участка, ограниченная дисперсией,
167км<
псЛ
пм
С
1Ь
— С -Уб»,45
НМУ.КМ J
где 0,45 — спектральная ширина несущей оптического сигнала, нм.
Так как коэффициент дисперсии ОВ указан для спектральной ши-
рины несущего сигнала в 1 нм, то в формулу подставляется только
числовое значение без указания размерности.
155
Таблица 6.1. Итоговая форма потерь для проектируемого
участка
Передающее оборудование Рабочая длина волны Уровень ВЕР Оптическая система.,.
№ Наименование Значения
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Потенциал потерь на линии Гарантированное усиление системы. Выделенный запас клиента Потери выделенной линии (пункт 1 - пункт 2) Потери между стойками Число сварок (если неизвестно, используйте данную формулу) Потери на сварке Общие потери на сварке (пункт 4 х пункт 5). Число разъемов FDP Потери на разъеме FDP Допуск потерь на разъемах FDP (пункт х пункт 8) Допуск потерь на межофисном кабеле Допуск потерь с учетом температур (длина воздушного кабеля в км х 0,1 дБ/км при температуре воздуха от -30° до +70°С) Общие потери между стойками (пункт 6 + пункт 9 + пункт 10 +пункт 11) Имеющиеся потери на линейно-кабельном оборудовании (пункт 13 - пункт 12) Если между пунктами установлен модульный принцип участка, переход к пунктам 14 и 15. Если нет, то переход к пунктам 16 и 17. Длина линии (между стойками) Макс. треб, к затуханию кабеля, данное для указанного запаса клиента в пункте 2 (Прим.) (пункт 13/пункт 14) Затухание волокна по спецификации. Проектир. длина линии (пункт 13/пункт 16) дБ
дБ
дБ
сварок
дБ/сварка
разъемов
дБ/разъем
дБ
дБ
дБ
дБ
дБ
КМ
дБ/км
дБ/км
КМ
Рассмотрим основные типы и параметры наиболее перспективных
современных одномодовых оптических волокон, выпускаемых ком-
паниями Coming, Lucent Technologies и Fujikura, наиболее широко
представленных на российском рынке [10].
ОМ волокна, как известно, изготавливаются из кварцевого стек-
ла, имеют постоянный диаметр оболочки 125 мкм и диаметр сердце-
156
Таблица 6.2. Данные расчета
Передающее оборудование: STM — 16 Рабочая длина волны: 1557 нм Уровень BER: 10 Оптическая система: разъем FC
№ Наименование Значения
1 Гарантируемое усиление системы 23 дБ
2 Выделенный запас клиента 2 дБ
3 Потери выделенной линии 21 дБ
4 Число сварок 30 сварок
5 Потери на сварку 0,05 дБ/сварка
6 Общие потери на сварке 1,5 дБ
7 Число разъемов FDP 2 разъема
8 Потери на разъеме FDP 0,3 дБ/разъем
9 Допуск потерь на разъемах FDP 0,6 дБ
10 Затухание волокна по спецификации 0,19 дБ/км
И Проектируемая длина линии 120 км
вины 7-9 мкм, при этом нормируемым параметром является диаметр
поля моды — световой волны, распространяющейся вдоль серд-
цевины. Этот диаметр (8-11 мкм) характеризует потери при вводе
света в волокно и зависит от длины волны.
По профилю показателя преломления ОМ волокна делятся на:
волокна со ступенчатым (прямоугольным) профилем;
волокна с профилем специального типа, например в форме тре-
зубца, треугольника, W-образного профиля и др.
Иногда профили показателя преломления делят по-другому — на
три типа: профили для ОВ без сдвига дисперсии, со сдвигом диспер-
сии и со сглаживанием дисперсии (см. ниже).
По дисперсии ОМ ОВ делятся на:
стандартное волокно СВ (SF — Standard Fiber), или волокно с
несмещенной дисперсией (SSMF — Standard Single Mode Fiber);
волокно co смещенной нулевой дисперсией ВСД (DSF —
Dispersion-Shifted Fiber);
волокно с ненулевой смещенной дисперсией ВНСД (NZDSF —
Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber);
Наконец, в последнее время в связи с развитием оптических уси-
лителей (ОУ) и систем с WDM появились специальные типы кварце-
вого волокна:
волокно для компенсации дисперсии — ВКД (DCF — Dispersion
Compensating Fiber) используется в специальных модулях (например,
157
DCM — Dispersion Compensating Module — модуль для компенсации
дисперсии — МКД);
волокно, легированное эрбием, — ВЛЭ (EDF — Erbium-Dopped
Fiber), используется в оптических усилителях (ОУ) типа EDFA —
Erbium-Dopped Fiber Amplifier;
волокно, легированное неодимом, — ВЛН (NDF — Neodim-
Dopped Fiber), используется в ОУ типа NDFA — Neodim-Dopped
Fiber Amplifier;
волокно, сохраняющее состояние поляризации, — ВСП (PMF
Polarization Maintaining Fiber), используется в целом ряде
ОВ датчиков, требующих сохранения состояния поляризации;
волокно для ультрафиолетовой области спектра, например волок-
но, используемое в диапазоне 190-250 нм для различных специаль-
ных применений;
волокно с большой площадью сечения сердечника — порядка
300-800 мк для целей создания световых потоков большой ярко-
сти и мощности, используемых для измерений и спецприложе-
ний.
Параметры промышленных одномодовых оптических волокон.
Основные параметры ОВ описаны и регламентированы в рекоменда-
циях ITU-T G. 652-655, которые используются, в основном, для
ссылок в официальных документах на тип волокна. Значительно бо-
лее информативны фирменные спецификации компаний-производите-
лей. Типичные параметры одномодовых ОВ, регламентируемые в
рекомендациях ITU-T G. 652, G. 653, G. 654 и G. 655, приведены
в табл. 6.3. Она дает представление о современном уровне развития
технологии ОВ.
Параметры, используемые в таблице, известны и понятны, однако
в нашем случае некоторые из них нуждаются в дополнительных по-
яснениях.
Тип волокна — стандартное одномодовое волокно обозначено как
SSF, одномодовое волокно со смещенной дисперсией — DSF и од-
номодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией — NZDSF.
Знак «+» означает, что дисперсионный параметр D (называемый так-
же дисперсией, хотя эти понятия разные, в том числе и по знаку)
положителен, знак «-» — что он отрицателен (этот знак важен для
солитонных систем связи).
Рабочие окна прозрачности — кроме обозначений первых трех
окон указывается и более точный интервал, например 1530-1565 нм,
если ОВ оптимизировано для работы именно в этом интервале.
158
Таблица 6.3. Параметры одномодового волокна, рекомендуемые
стандартами
Параметры Параметры, рекомендуемые стандартами
G652 G653 G654 G655
Тип волокна SSF DSF LMF NZDSF
Рабочие окна прозрачности, нм 1300/1550 1500/1600 1550 1530-1565
Затухание, дБ/км 1550 нм <0,5/0,25 <0,5/0,25 <0,22/0,15 <0,35/0,19
Диаметр модового поля, мкм 1310 нм 1550 нм 9,0-10,0 + 10% 9,0-10,0 + 10% 7,0-8,3 + 10% 10,5 + 10% 8,0-11,0 + 10%
Длина волны отсечки, кабель, нм волокно, нм 1260 1270 1360 1480
1280 1530 1470
Длина волны нулевой дисперсии, нм 1310 + 10 1550 + 25 1310 + 10 н/н
Наклон кривой дисперсии в районе нулевой дисперсии, пс/(нм км) 0,093 0,085 0,06 < 0,169
Дисперсия в окне 1550 нм, пс/(нм км) 3,5-20 3,5 20 0,1-6,0
Диаметр оболочки, мкм 125 + 1 125 + 1 125 + 1 125 + 1
Неконцентричность сердцевины и оболочки, мкм <0,8 <0,8 <0,8 <0,8
Диаметр ОВ по защитному покрытию, мкм 245 + 10 245 + 10 245 + 10 245 + 10
Первоначально под окнами понимались узкие области минимумов кривой
поглощения света в ОВ в окрестности—850 нм(1), 1310 нм(2), 1550 нм(3).
Сейчас окно 2 — это область от 1270 (1280) до 1325 нм, окно 3—
от 1528 до 1565 нм, окно 4 — от 1565 до 1620 нм, окно 5 — от 1325
до 1450 нм.
Например,
волокно AllWave (компании Lucent Technologies) может работать
в четырех окнах: 2-5, т.е. в полосе от 1280 до 1620 нм. Затухание
дается как для фиксированных длин волн: 1310, 1383 (пик затухания,
вызванный наличием гидроксильных групп ОН), 1550 нм, так и внут-
ри трех окон, что важно для прикидки возможности использования
волокна в системах WDM.
Как правило, приводятся два значения (через разделительную чер-
ту): первое — соответствует максимально возможной величине, вто-
рое — фактически наблюдаемой на практике — на нее можно ори-
ентироваться с большой долей вероятности.
Прирост затухания приводится (при необходимости использования
кабеля в широком диапазоне температур) для двух диапазонов темпе-
ратур (-60 — +55°С) или (-60 — +85°С) через разделительную черту;
если дано одно из них, то знак «-» означает отсутствие данных.
Аналогичный прирост может произойти и от других факторов, напри-
мер при эксплуатации ВОК в водной среде или «мокрых» коллекторах, от
чрезмерно малого радиуса кривизны при частых изгибах волокна и др.
159
Длина волны отсечки — приводятся (через разделительную черту)
оба значения: для ОВ и кабеля в целом или одно из них (знак «-» означа-
ет отсутствие данных). Первое обычно выше второго, которое определя-
ется в результате измерений и служит практическим ориентиром длины
волны отсечки. Если кабель используется для передачи несущих с дли-
нами волн ниже длины волны отсечки, то возникающие дополнительные
моды могут привести к существенному увеличению дисперсии.
Длина волны нулевой дисперсии приведена по каталогу либо вычис-
лена приблизительно на основании других данных. Совместно с накло-
ном при нулевой дисперсии она дает возможность оценить значение дис-
персии для конкретной длины волны, используя интерполяционные
формулы. Область ненулевой дисперсии приводится для одномодового
волокна, оптимизированного для работы с системами WDM в указанной
области. Знание ее важно как при оценке влияния на эти системы четы-
рехволнового смешения, так и при использовании волокна в солитон-
ных системах связи, для которых средняя дисперсия волокна должна
быть отрицательна на участке передачи (т.е. среднее значение дисперси-
онного параметра D должно быть положительно) конфигурацией систе-
мы: например 4гЗЗ, 5гЗО, где первая цифра—число перекрытий на одну
секцию, а вторая — бюджет ОУ на одно перекрытие в дБ.
Для волокон типа NZDSF характер изменения дисперсии в окне
1530-1620 нм приведен на рис. на примере волокон компании Lucent
Technologies. Наименьший наклон здесь демонстрирует волокно
TrueWave RS — 0,241 [d] /нм, наибольший — Large Area, волокно с
увеличенной площадью светового поля — 0,617 [d]/hm, где [D] —
размерность параметра D.
Дисперсия поляризованной моды — этот параметр дает макси-
мально возможное значение PMD (часто переводится как «поляриза-
ционная модовая дисперсия» — ПМД).
Дисперсия PMD для протяженной линии—статистическое значение
PMD в кабеле (среднеквадратическое значение коэффициентов PMD от-
дельных волокон в кабеле, измеренное по методике IEC SC 86A/WG1,
метод 1). Этот параметр используется для более достоверной оценки на-
копленной (на длине секции) дисперсии PMD для высокоскоростных
(10 Гбит/с по одному волокну и выше) систем связи.
Эффективная площадь светового поля—этот параметр вводится как
эквивалент площади сердцевины для высокоплотных систем с разделени-
ем по длине волны (DWDM). В этих системах используются источники
лазерного излучения высокой интенсивности, что приводит к возрастанию
нелинейных эффектов. Для снижения плотности оптической мощности
160
(при общем увеличении ее уровня) необходимо увеличивать эффектив-
ную площадь светового поля, что делается за счет оптимизации профиля
показателя преломления. Например, в разработанном для этих целей во-
локне LEAF (компании Coming) эта площадь повышена настолько, что
дает прирост допустимой мощности источника излучения на 2 дБ (исполь-
зуемый профиль—трезубец, называемый также «профилем w»).
Вид профиля показателя Преломления — кроме прямоугольного про-
филя показателя преломления в волокнах ranaNZDSF со сдвигом нуле-
вой дисперсии в область окна 1550 нм для формирования относительно
плоской дисперсионной характеристики с малой величиной дисперсии
применяются специальные профили. Наиболее широко используемые —
трезубец и треугольник на пьедестале (называемый также L-профилем),
формируемые наличием нескольких оболочек с разным значением.
Фактор сопротивления динамической усталости определяет способ-
ность волокна противостоять долговременным механическим нагруз-
кам. Радиус собственной кривизны волокна—параметр, влияющий на
смещение центра волокна при укладке его для сварки в V-образную
канавку (чем меньше радиус, тем больше смещение).
В табл. 6.3 помещены, в основном, оптические характеристики
волокон. Ряд других механических, точностных и температурных
параметров волокон можно найти в соответствующих каталогах и
спецификациях компаний производителей.
6.2. Способы и технологические принципы
прокладки ВОК на сетях связи
железнодорожного транспорта
В настоящее время сеть железных дорог РФ и прилегающих госу-
дарств в значительной мере электрифицирована по системе постоян-
ного или переменного тока, а на участках с автономной тягой —
вдоль железнодорожного полотна в полосе отвода проходят одна или
две высоковольтно-сигнальные линии автоблокировки в основном на
железобетонныз стойках.
Целесообразно на вновь строящихся участках, на участках с ав-
тономной (тепловозной тягой) ВОК укладывать в трубопровод, вы-
полненный из полиэтиленовых труб.
Особенность электрификации на железных дорогах РФ определяется
некоторыми моментами. Переход участка железной дороги с автономной
тяги на переменный ток, как правило, осуществляется на участках с повы-
шенной грузовой и пассажирской перевозочными процессами.
161
При переходе на тяги с использованием контактной сети перемен-
ного тока реконструкция систем связи с воздушных линий на кабель-
ные осуществляется с дорогостоящими работами по защите.
6.2.1. Прокладка ВОК в грунте
Прокладка оптических кабелей (ОК) в грунтах 1-4 группы произ-
водится на глубину 1,2 м. В грунтах 5 группы и выше прокладка
должна производиться по рекомендации п. 6.5.5 ВСН 116-87.
Прокладка ОК в грунт осуществляется ручным способом в откры-
тую траншею или бестраншейным способом (рис. 6.3) с применением
ножевых кабелеукладчиков в соответствии с «Руководством по про-
кладке, монтажу и сдаче в эксплуатацию волоконно-оптических ли-
ний связи внутризоновых сетей» (М. ССКТБ, 1987 г.) и «Технологи-
ческой картой на прокладку оптических кабелей связи внутризоновых
сетей» (М. ССКТБ, 1988 г.), а также с рекомендациями, изложенны-
ми в ВСН 116-87.
6.2.2. Прокладка ВОК в канализацию
или трубопровод
Способы прокладки волоконно-оптических кабелей во многом
сходны со способами прокладки традиционных медных кабелей.
Однако, важно не превышать предельных значений параметров кабе-
ля, указанных его изготовителем, таких как:
минимальный радиус изгиба;
максимально допустимое усилие тяжения;
Рис. 6.3. Укладка кабеля в грунт бестраншейным способом
162
минимальная температура во время прокладки;
максимально допустимое сдавливающее усилие.
Эти параметры могут значительно отличаться от соответствующих
параметров медных кабелей.
Нагрузки, превосходящие номинальные значения, могут вызвать
увеличение коэффициента затухания в волокнах вплоть до величины,
приводящей к разрыву волокон. Разрыв волокон может произойти
немедленно или спустя какое-то время. Повреждение может быть
незаметно снаружи. Кабель может выглядеть неповрежденным, в то
время как на самом деле волокно растянуто или в нем имеются
микротрещины, которые в любой момент могут привести к разрыву
волокна.
Волоконно-оптические кабели нечувствительны к электромагнит-
ным помехам и грозовым разрядам. Это означает, что они могут быть
использованы в местах, где прокладка традиционных медных кабелей
не представляется возможной.
Кабели для прокладки в кабельную канализацию — это, как пра-
вило, кабели с гидрофобным заполнителем. Эти кабели обычно изго-
тавливаются с использованием металлического ламината (алюминие-
вая фольга или гофрированная стальная лента) для защиты от
влажности. (Возможно также изготовление неметаллического кабе-
ля.) Гидрофобный заполнитель препятствует перемещению влаги в
продольном направлении и в то же время защищает волокна.
Прокладка кабеля в кабельную канализацию является наиболее
обычным методом прокладки, применяемым в городах, администра-
тивных центрах и других местах с высокой плотностью населения.
Кабельная канализация состоит из трубопровода и колодцев. Кабель
прокладывается в кабельный трубопровод, а возможные соединения
производятся в кабельных колодцах или кабельных шахтах.
Кабель может быть протянут в новый или уже существующий
кабельный трубопровод. Трубы защищают кабель и позволяют про-
изводить прокладку и удаление кабеля в будущем без проведения
земляных работ. Возможно использование труб большего диаметра,
чем это необходимо в настоящее время, а также дополнительные
трубы могут быть проложены для удовлетворения будущих потребно-
стей.
Традиционный метод тяжения. Волоконно-оптические кабели
имеют меньший вес, но большие строительные длины, чем традици-
онные медные кабели, используемые для прокладки в аналогичных
условиях.
163
При проектировании трассы и выборе методов разделки кабеля
необходимо принимать во внимание минимальный радиус изгиба и
максимально допустимое усилие тяжения, определенные для данного
типа волоконно-оптического кабеля, чтобы избежать разрыва и скры-
тых повреждений волокон. При прокладке волоконно-оптического
кабеля в подземный трубопровод приходится сталкиваться с очень
трудными ситуациями, при этом большое значение имеет состояние
трубопровода и геометрия трассы.
Там, где кабельный трубопровод в плохом состоянии, сильно
искривлен, в трубах имеется ранее проложенный кабель либо места
соединений с резкой сменой направления, максимальная строитель-
ная длина должна быть соответственно сокращена.
Поскольку состояние подземного кабельного трубопровода, пред-
назначенного для прокладки волоконно-оптического кабеля, имеет
большое значение, необходимо проверить его перед началом работ, а
также очистить трубы насколько это возможно. Можно также рас-
смотреть возможность использования системы внутреннего трубопро-
вода, как в виде одной трубы, так и в виде нескольких труб. Это
достигается путем установки более тонких труб в кабельный трубо-
провод и прокладки кабеля в эти тонкие трубы. Также можно исполь-
зовать изготовленные в заводских условиях трубы, разделенные внут-
ри на секции.
Трубы кабельного трубопровода должны по своим размерам удов-
летворять требованиям прокладки кабеля в настоящее время и в бу-
дущем. Хорошим правилом является заполнение на 50%. Это значит,
что поперечное сечение трубы кабельного трубопровода или внутрен-
ней трубы должно быть по крайней мере вдвое больше поперечного
сечения кабеля, находящегося внутри этой трубы. Прокладка кабеля
может быть осуществлена как вручную, так и с использованием
лебедок. В местах изгибов трубопровода и в местах входа в трубо-
провод следует использовать направляющие приспособления, чтобы
радиус изгиба кабеля был не меньше рекомендованного минимально-
го радиуса изгиба, а также чтобы защитить от повреждения наружную
оболочку кабеля.
Говоря о необходимости защиты от перегрузок, имеют в виду, что
в большинстве случаев оборудование и системы лебедок, настроен-
ные на нормальную скорость, подходят для прокладки волоконно-
оптического кабеля в кабельную канализацию. Эти системы включа-
ют в себя лебедки, установленные в конце трассы, промежуточные
лебедки и, там, где это необходимо, оборудование подачи кабеля.
164
Чтобы избежать скручивания во время прокладки, тяговый конец
кабеля должен быть соединен с концом троса лебедки посредством
приспособления, позволяющего компенсировать скручивание, напри-
мер, при помощи вертлюга.
При прокладке кабеля при помощи лебедки протяжку следует
начинать с небольшой скорости. Скорость тяжения может быть посте-
пенно увеличена до своего максимального значения 75 м/мин, когда
перестанет существовать опасность превышения максимально допус-
тимого для данного кабеля усилия тяжения.
Чулок для протягивания кабеля в кабельный канал может быть
прикреплен непосредственно к наружной оболочке кабеля только в
том случае, когда она имеет внутреннее соединение с усиливающими
элементами, как, например, в кабелях типа Spiral Space. Если усили-
вающие элементы не имеют надежного соединения с наружной обо-
лочкой кабеля, они должны быть снабжены присоединительным
патрубком, позволяющим выдержать возникающие при тяжении на-
грузки.
При прокладке волоконно-оптического кабеля особое внимание
должно уделяться трению и смазке. Силы трения, которые должны
быть преодолены, определяются несколькими факторами, главным
образом, материалами и обработкой оболочки кабеля, состоянием
трубопровода, типом кабельного троса и направляющих элементов и
всем, что может существенно влиять на суммарное усилие, прикла-
дываемое к кабелю при его тяжении. Там, где в связи с ограничени-
ями нагрузки не представляется возможным проложить волоконно-
оптический кабель большой длины с использованием одной лебедки,
установленной в конце трассы, может возникнуть необходимость
распределения нагрузки вдоль длины кабеля, что может быть выпол-
нено с применением либо статических, либо динамических методов
(рис. 6.4).
Наиболее часто применяемый статический метод получил название
«метод восьмерки». Организация работ по этому методу представле-
на на рис. 6.5. Этот метод предполагает размещение кабельного ба-
рабана в какой-либо промежуточной точке трассы, откуда кабель про-
кладывается в одном направлении с использованием обычной
технологии. Оставшийся на барабане кабель разматывается на землю
в виде бухты в форме цифры 8 и прокладывается оттуда в другом
направлении с использованием той же технологии. Для использова-
ния этого метода необходимо наличие достаточного свободного про-
странства в месте разматывания кабеля в бухту.
165
Рис. 6.4. Укладка кабеля лебедкой
Динамический метод распределения нагрузки является более
сложным, для его использования необходимо наличие большего ко-
личества приспособлений, и их настройка является более трудоемкой,
однако, преимуществом метода является то, что он позволяет произ-
водить прокладку кабеля в одном направлении непосредственно с
барабана. При этом в промежуточных точках используются специаль-
ные кабельные лебедки или проталкиватели, и максимальная нагрузка
приложена к кабелю на участке между этими точками. При исполь-
зовании этого метода усилие тяжения при прокладке кабеля переда-
ется через его оболочку, что должно быть принято во внимание при
выборе конструкции кабеля.
Метод задувки кабеля. Попу-
Рис. 6.5. Укладка кабеля
восьмеркой
лярность метода задувки волокон-
но-оптического кабеля в заранее
проложенные трубы в последние
годы очень возросла. Схема задув-
ки кабеля в трубопровод будет
представлена в главе 7.
Существует несколько типов
пневматических систем, но при ис-
пользовании любой из них должно
быть выбрано оптимальное сочета-
ние типа кабеля, типа трубы и ме-
тода задувки. Рекомендации, дан-
ные производителем, необходимо
тщательно соблюдать не только во
166
время прокладки труб или кабеля, но также при проектировании трас-
сы, принимая во внимание максимальную длину трассы, количество
поворотов и расстояние между поворотами. Прокладка производится
в два этапа: сначала прокладывается трубопровод, а затем в него
задувается кабель. При прокладке трубопровода используется стан-
дартная технология. В некоторых случаях может потребоваться специ-
альная обработка труб для обеспечения целостности их внутренней
поверхности, но, как правило, достаточно соблюдения следующих
мер предосторожности:
нельзя сжимать трубы или повреждать их иным образом, это мо-
жет привести к возникновению проблем на этапе задувки кабеля;
радиус изгиба трубы не должен быть меньше радиуса, определен-
ного производителем;
нельзя перекручивать трубы, размотку труб надо производить, вра-
щая барабан, а не подавая трубу поверх фланца;
необходимо предохранять трубы от загрязнения или смачивания
водой. При необходимости трубы перед прокладкой можно загерме-
тизировать;
концы труб после прокладки;
места соединений труб должны быть запрессованы.
Перед прокладкой кабеля рекомендуется убедиться в целостно-
сти трубопровода. Для того, чтобы эффективно осуществлять за-
дувку кабеля в трубопровод, рекомендуется использовать специ-
ально разработанные для этого метода конструкции кабеля
(например, кабель Spiral Space) и специально спроектированное
оборудование, такое как блок задувки и устройство подачи возду-
ха. Обычно поставщик оборудования предоставляет инструкции,
содержащие информацию о величине создаваемого компрессором
давления, его производительности, рекомендации по его включе-
нию, позволяющие предотвратить перегибы и раздавливание ка-
беля, а также рекомендации по использованию смазочных мате-
риалов.
6.2.3. Подвеска диэлектрического ВОК на опорах
контактной сети, линиях автоблокировки
и связи
Методы подвески. Как правило, для подвески воздушных воло-
конно-оптических кабелей используются те же методы и соображе-
ния, которые касаются прокладки воздушных металлических кабе-
лей. Они включают: обычные способы крепления кабеля к несущему
167
тросу и крепления подвесных колец или заранее установленных на-
тяжных тросов; самонесущие системы; крепления к существующему
воздушному кабелю или использование самого волоконно-оптичес-
кого кабеля в качестве средства для крепления кабелей и оборудова-
ния, выполненных по специальному проекту. Механические напряже-
ния и, следовательно, усилия, возникающие при подвеске воздуш-
ного кабеля, оказываются, как правило, меньше, чем в случае про-
кладки кабеля под землей; в случае смешанной подземно-воздушной
трассы подземный кабель может с большими предосторожностями
применяться на воздушных секциях.
Методы защиты кабеля. Как правило, в тех случаях, когда при-
меняются методы протяжки с одного конца или распределенной про-
тяжки, для воздушного кабеля могут использоваться различные си-
стемы, для защиты кабеля от чрезмерной нагрузки в процессе его
прокладки; кроме того, целесообразно обеспечить возможность все-
гда тщательно контролировать обратное натяжение кабеля. Когда при-
меняется крепление к подвесному проводу заранее заданной натяже-
нием или к существующему металлическому кабелю, воздушный
волоконно-оптический кабель должен быть сконструирован таким
образом, чтобы удовлетворять предъявляемым требованиям. Натяже-
ние провода, используемого для подвески, также должно регулиро-
ваться очень тщательно. Большую тщательность необходимо соблю-
дать и при размотке кабеля при его прокладке на воздушных трассах.
Лебедки и направляющие системы. С учетом необходимости за-
щиты от перегрузок и чрезмерных изгибов может быть использовано
большинство лебедок, в том числе лебедки для протяжки с конца,
промежуточные лебедки, устройства, регулирующие подачу кабеля и
т.п., которые применяются при прокладке обычных воздушных кабе-
лей. В случае прокладки больших длин, когда используются системы
концевого или распределенного протягивания, крайне важно, чтобы в
тех местах, где происходят резкие изменения направления, было ус-
тановлено надлежащее направляющее устройство. Кроме того, осо-
бое внимание следует придавать обеспечению протяжки кабеля с
равномерной скоростью.
Методы максимального увеличения прокладываемых длин кабе-
ля. При возможности сравнительно неограниченного доступа к трассе
во многих случаях можно выполнять подвеску кабеля с помощью
большего числа различных методов; при этом основным ограничени-
ем для очень больших строительных длин волоконно-оптического
кабеля является только количество кабеля, намотанного на барабан.
168
Однако при пересечении трассы с дорогами или другими объек-
тами и отсутствии возможности использовать дополнительные срос-
тки для таких участков следует разработать систему протяжки кабеля.
Кроме того, в случае применения методов с использованием лебедок
суммарные эффекты трения ограничивают дальность подвески, поэто-
му могут применяться промежуточные системы лебедок, как и для
подземных прокладок. Для ограничения или уменьшения усилий в
кабеле при подвеске используется подвижная катушка, т.е. кабель
прикрепляется к тросу по мере перемещения катушки с кабелем вдоль
линии опор.
Запасы ВОК для сращивания строительных длин. Очень важ-
но, чтобы при подвеске строительных длин воздушного волоконно-
оптического кабеля предусматривалась соответствующая дополни-
тельная длина кабеля на столбах, где производятся измерения и
сращивание. Такая дополнительная длина на каждом конце кабеля
должна быть достаточной, чтобы можно было неоднократно соеди-
нять волокна и использовать соединительные муфты в тех местах, в
которых обычно производятся работы; кроме того, может потребо-
ваться дополнительная длина кабеля для проведения необходимых
операций на земле.
63. Технологии подвески самонесущего
оптического кабеля
6.3.1. Проект организации строительства
и производства работ
Организация и проведение подготовительных работ должны осу-
ществляться в соответствии с утвержденным пусковым комплексом,
графиком материально-технического обеспечения и проектом органи-
зации строительства (ПОС)[2], разработанным проектной организаци-
ей и являющимся неотъемлемой частью проекта (рабочего проекта).
Проект организации строительства линейных сооружений
МКЛС (ВКЛС) разрабатывается проектной организацией и, как пра-
вило, содержит:
— краткие положения технологической части проекта (системы
передачи, типы кабелей, протяженность трассы, расположение ОП,
ОУП, НУП, конструкции НУП, контейнеров и т.д.);
— характеристику местности, грунтов, дорог, водных преград по
усилительным участкам;
169
— данные о высоте подвески кабеля на линиях автоблокировки,
контактной сети и воздушных линиях связи;
— данные о глубине прокладки кабеля;
— метеорологические сведения по трассе (время перехода температу-
ры воздуха и грунта от положительных температур к отрицательным и об-
ратно; минимальные и максимальные значения температуры воздуха; мак-
симальная глубина промерзания грунта, время промерзания, величина
снежного покрова, время начала его образования и схода);
— рекомендации, определяющие период времени выполнения ра-
бот по прокладке кабеля в тальк грунтах, число рабочих дней в году;
— характеристику проектируемых кабелей и их количество по
участкам;
— проектируемый объем основных работ и способы их производ-
ства;
— ведомость потребного количества строительно-монтажных бри-
гад, механизмов и машин;
— ведомость поставки оборудования, основных материалов и
кабельньк изделий;
— схему расстановки строительно-монтажных бригат и развозки
кабеля по трассе;
— расчет потребности рабочей силы;
— календарный план строительства.
Разработка проекта производства работ. На основе изучения
проектной документации, ознакомления с трассой КЛС непосред-
ственно на местности, согласования с заказчиком объема строитель-
но-монтажных работ должен быть составлен проект производства
работ (ППР).
Исходными данными для разработки ППР служат:
— проектно-сметная документация (в том числе ПОС);
— директивный график или другой документ, определяющий сро-
ки строительства;
— сведения о сроках и порядке поставки основных материалов (в
том числе кабельных изделий), контейнеров, цистерн НУП, оборудо-
вания, о намечаемых к использованию строительных машинах и ме-
ханизмах, а также о рабочих кадрах по основным профессиям;
— технологические карты.
В состав ППР должны быть включены:
— календарный план-график (или сетевой график) производства
работ (рис. 6.6);
— график материально-технического обеспечения;
170
— расчет и график потребности в рабочих кадрах;
— график потребности в строительных машинах;
— расчет потребности в автотранспорте;
— схема трассы (см. рис. 6.6);
— схема развозки кабеля;
— мероприятия по повышению эффективности использования
машин и механизмов, повышению производительности труда и сни-
жению себестоимости работ;
— мероприятия по организации работ методом бригадного подря-
да и другими прогрессивными формами;
— мероприятия по безопасному ведению работ;
— план-график производства работ (см. рис. 6.6);
— ведомость комплектации объекта измерительными приборами;
— ведомость обеспечения подразделений жилыми и бытовыми
фургонами;
— схемы операционного контроля качества;
— перечень требуемых актов освидетельствования скрытых работ;
— пояснительная записка, содержащая обоснования и расчеты по
основным данным, приведенным в ППР. В зависимости от объема
работ, типа кабеля и системы передачи, климатических и геологичес-
ких условий местности (районы вечной мерзлоты, сложный рельеф,
скальные грунты и т.д.), наличия особо сложных препятствий (вод-
ные преграды, тоннели и т.д.) ППР могут содержать и другие доку-
менты.
6.3.2. Технология подвески кабеля на опоры КС
Подвеска кабеля состоит из трех этапов:
1 этап (подготовительный). Установка кронштейнов и подвеска
капронового канатика (с 0 8 мм, удельный вес — 35 кг/км). При
установке кронштейнов необходимо следить, чтобы не было большо-
го перепада высот между двумя, рядом расположенными крон-
штейнами. В точке, от которой производится раскатка канатика (тро-
са) оставляют несколько полных катушек с тросом, одна из них
устанавливается на козлы, с которых производится раскатка. После
того как весь канатик с катушки размотан, к его концу прикрепляется
конец троса с другой катушки с помощью специального соединителя
троса. Полная катушка устанавливается на козлы взамен пустой.
Протяжка осуществляется двумя способами:
а) вручную — канатик тянет электромонтер, переходящий от опо-
ры к опоре;
171
Участок СПб — Финляндский — Пискаревка
Участок окружной ж.д.
0.5
5,2
9,1
11
45
Финляндский
§
i
э
§
§
§
Подготовительные |)аботы (орютр трассы вырубка просеки и т.п.)
Подвеска роликов и капронового канатика
Пддве^ волоконно-оптического кабеля
Установка кабельных д ержателей
Монтаж соеданитальнык муфт
Тестирование, включение системы передачи и сдачалинии в эксплуатацию
Рис. 6.6. План производства линейно-кабельных работ
S
б) с помощью дрезины (на железнодорожных путях).
При подъезде к опоре (стойке на крыше здания) на нее устанав-
ливается кронштейн, к которому при помощи серьги прикрепляется
ролик. При углах поворота меньших 45° устанавливается малый ро-
лик, при больших углах — большой ролик.
При раскатке необходимо следить за провисом канатика, чтобы
предотвратить перехлест его с проводами контактной сети, автоблоки-
ровки, группового заземления, линии освещения и т.п.
2 этап. Раскатка кабеля (014-16 мм, удельный вес — 165 кг/км).
На одном конце раскатанного канатика устанавливается барабан с
кабелем на специальных домкратах. На другом конце устанавливает-
ся лебедка и закрепляется. Конец канатика заводится на приемные
барабанчики лебедки и далее на пустую катушку для приема выбира-
емого канатика. К другому канатику прикрепляется неразрезной са-
мозатягивающийся чулок, который позволяет тянуть за собой кабель.
Включается лебедка и осуществляется намотка канатика. На первых
100 м размотки барабана внимательно наблюдают за сходом кабеля
с барабана, поскольку возможен перехлест колец кабеля. Номиналь-
ная скорость протягивания кабеля 0,5 м/с. При приходе на лебедку
соединителя троса полная катушка снимается, устанавливается пустая
и конец следующего канатика прикрепляется к ней. При подходе
кабеля к лебедке (за 15 м до нее) вытяжка прекращается и кабель
анкеруется за опору (стойку) около барабана, затем производится
натяжение кабеля до 200 кгс и анкеровка кабеля около лебедки.
3 этап. Замена роликов на кабельные держатели (седла). Ролик сни-
мается с кронштейна, на его место подвешивается держатель, с последу-
ющим закреплением кабеля в нем. Резиновые вкладыши держателя пре-
пятствуют проскальзыванию кабеля. При углах поворота кабеля
больших 10° вместо седла устанавливается анкеровочное приспособле-
ние такое же, как на концах кабеля. Все используемые для подвески
элементы и их крепление между собой показаны на рис. 6.7. Закончен-
ная подвеска кабеля на участке показана на рис. 6.8.
6.4. Вводы кабеля в помещение и монтаж
оконечных устройств
6.4.1. Установка, монтаж оконечных устройств
С началом строительства по подвеске ВОК конец кабеля необхо-
димо завести в помещение линейно-аппаратного зала на каждой
173
Рис, 6.7. Элементы,
используемые для подвески
ВОК на опорах КС
станции. Особое внимание необходимо уделить устройствам ввода
кабеля внутрь здания. Как правило, перед вводом кабеля в помеще-
ние со стороны линии электроснабжения необходимо установить
опору, которая позволит обеспечить габарит ввода и тем самым
повысить надежность как кабеля, так и трассы линии электроснаб-
жения.
Из двух типов ввода наиболее удобным является ввод кабеля,
выполненный с использованием 3-х или 4-х канальной резиновой
самоуплотняющейся пробки диаметром 100 мм. Конструкция каждо-
го ввода состоит из двух пробок, соединенных между собой поли-
хлорвиниловыми трубками с внутренним диаметром 25 мм. Эти труб-
ки соединяют отверстия внутренней и внешней пробки. На рис. 6.9
приведен узел анкеровки кабеля на стене здания, а на рис. 6.10 при-
веден общий вид трехканальной пробки для ввода кабеля в поме-
щение.
174
Непосредственное совмещение узла анкеровки с кабельным вво-
дом возможно только в том случае, если высота провиса кабеля
над проезжей частью и пешеходными дорожками не ниже 4,5 м,
если же по каким-то причинам обеспечить этот габарит невозможно,
то перед стеной помещения на расстоянии около 1 м необходимо
установить опору, на которую будут перенесены анкерные узлы, а
спуски с нее непосредственно заведены в помещение. Конструкция
такого ввода очень технологично позволяет вводить без разборки
трехканальных отверстий до 4-х кабелей. Удобство этих вводов зак-
лючается в том, что они самоуплотняющиеся, рассчитаны на широ-
кий диапазон диаметров вводимых кабелей и обеспечивают высо-
кую герметичность.
При отсутствии стандартных 3-х, 4-х канальных пробок можно
воспользоваться полихлорвиниловыми трубками малого диаметра,
однако в этом случае проход трубки в толще стены (400-600 мм)
должен осуществляться обязательно под углом не менее 5° (см.
рис. 6.9). Зазоры при вводе в трубку для обеспечения герметичности
убирают с помощью обмотки изолентой, следя за тем, чтобы не ос-
тавалось сквозного отверстия.
Рис. 6.9. Узел анкеровки кабеля на стене здания
175
Рис. 6.10. Общий вид трехканальной
пробки
6.4.2. Соединительные муфты
и распределительные коробки для монтажа
внутренней проводки
В конструкции муфты предусматриваются направляющие для сро-
стков. Они используются для размещения и фиксации сростков во-
локон. Для размещения резервных волокон устанавливаются до-
полнительные направляющие. В одной направляющей могут быть раз-
мещены от 6 до 24 сростков волокон, а одна муфта может иметь
несколько направляющих. Излишне высокая плотность упаковки сро-
стков волокон нежелательна, так как при этом затрудняется работа с
отдельными волокнами и возможно даже возникновение путаницы.
Муфты для наружных кабелей изготавливаются из металла или пла-
стмассы. На рис. 6.11 показана муфты из пластмассы.
Наружный кабель может соединяться с кабелем внутренней провод-
ки в соединительной муфте или оканчиваться в распределительной ко-
Рис. 6.11. Муфта из пластмассы
176
робке. Основные конструкции этих компонентов и требования к ним те
же, что и для наружных муфт. Однако, компоненты внутренней про-
водки находятся в более благоприятных и стабильных условиях, и
поэтому к их способности выдерживать внешние воздействия предъяв-
ляются менее жесткие требования. Они имеют более простую конст-
рукцию, чем соответствующие компоненты для наружных кабелей.
Распределительная коробка может обеспечиваться адаптерами для
оптических коннекторов. Это позволяет осуществлять соединения
оконечного кабеля с активным оборудованием передачи. В этом слу-
чае волокна оконечного кабеля обычно неразъемно соединяются с
пигтейлами. Эти пигтейлы на другом конце имеют оптический кон-
нектор, соединяемый с адаптером в коробке, образуя оптический
интерфейс.
6.4.3. Распределительные панели и оптические
распределительные устройства
Распределительная панель — конструктивный элемент для завер-
шения волоконно-оптического кабеля, она может устанавливаться на
стене или в шкафу (рис. 6.12). Распределительная панель, как прави-
ло, содержит кабельные вводы, направляющие для волокон и поле
коммутации для соединений и кроссировок. Концы волокон кабеля
неразъемно соединяются с пигтейлами, которые своими коннектора-
ми подключаются к полю коммутации. В качестве пигтейлов обычно
используются волокна с плотно прилегающим вторичным покрытием
(900 мкм) длиной около 2 м и с установленным в процессе произ-
водства на одном из концов коннектором. Свободные концы пигтей-
лов неразъемно соединяются с волокнами оконечного кабеля, а за-
щищенные сростки волокон размещаются и фиксируются в
направляющих. Поле коммутации состоит из адаптеров, к которым
внутри панели подключаются коннекторы пигтейлов. Соединения с
активным оборудованием и кроссировки осуществляются посред-
ством соединительных шнуров. В качестве соединительных шнуров
используются одноволоконные или многоволоконные монтажные
кабели с коннекторами на обоих концах кабеля. Длины соединитель-
ных шнуров составляют обычно 2, 3, 5, Юм или, при необходимо-
сти, даже больше. В конструкцию распределительной панели входят
также элементы, фиксирующие соединительные шнуры, которые по-
зволяют размещать дополнительные шнуры и шнуры избыточной дли-
ны. Различия между оптическим распределительным устройством
и распределительной панелью не являются четкими. Фактически ма-
177
00
ШКО -С -19 (230)
До 24 портов
2 кабельных ввода
19 (23)"х 1U
тип разъемов PC, ST, SC
Узел крепления центрального
силового элемента кабеля
Органайзер для укладки |
модуля кабеля и Pig-Ta/tr
Отверстие для ввода
оптических кабелей
Рис. 6.12. Распределительная панель
ленькая распределительная панель действует как небольшое распреде-
лительное устройство и выполняет функции распределительного уст-
ройства, заключающиеся в том, чтобы соединять два участка сети,
предоставлять возможность изменения конфигурации сети и служить
местом подключения приборов для проведения измерений и тестиро-
вания в процессе эксплуатации и технического обслуживания сети.
Оптическое распределительное устройство (ODF) состоит из сле-
дующих функциональных элементов:
— панель коммутации, на которой установлены адаптеры;
— направляющие для размещения сростков и оправки для хране-
ния запаса волокна;
— стойка, на которой установлены модули (панели) оптических
распределительных устройств.
Упомянутые выше функциональные элементы могут реализовы-
ваться по-разному. В зависимости от конструкции, например, панель
коммутации и направляющие для сростков могут располагаться в
одном или разных модулях. Если наружный кабель соединяется с
соединительным кабелем внутренней проводки на наружном кабель-
ном вводе, направляющие для сростков в оптических распредели-
тельных устройствах вообще не используются. Маленькое оптическое
распределительное устройство может состоять только из одной рас-
пределительной панели, в то время как в больших распределителях
оптическое распределительное устрой-
ство включает сотни волоконных окон-
чаний и несколько панелей и модулей
(рис. 6.13).
При выборе и проектировании опти-
ческого распределительного устрой-
ства руководствуются двумя критерия-
ми: простота структуры и эффективное
использование пространства. Для бу-
дущих потребностей также важно, что-
бы оптическое распределительное уст-
ройство было легко наращивать и
модифицировать. Поэтому лучше ис-
пользовать модульную структуру. Сле-
дует обратить внимание также на то,
чтобы эксплуатационное и техническое
обслуживание значительно не наруша-
ло трафик сети.
Рис. 6.13. Большой
распределительный шкаф
179
6.5. Соединение ОВ, контроль оптических
и механических параметров места
соединения
6.5.1. Технологии сращивания ОВ и контроль
качества сварных соединений
Технология сращивания ОВ включает следующие виды работ:
Удаление защитно-упрочняющих оболочек с ОВ. Тип применяе-
мого покрытия волокон в основном определяет метод и средства для
его удаления. При применении двойного защитно-упрочняющего по-
крытия на ОВ (например, полиамид + сиэл), как правило, использу-
ется сочетание механического и химического методов. Верхняя более
жесткая оболочка удаляется с помощью специальных клещей, пинце-
тов и т.д., имеющих ограничители для обеспечения необходимой
длины оголенной части волокна. Вторичная оболочка, представляю-
щая собой более мягкое покрытие, снимается либо механически с
помощью петли из капрона, либо органическими растворителями,
либо с помощью электронагревателя. Остаточная пленка на оголен-
ной поверхности волокна удаляется спиртом.
Покрытие из эпоксиакрилатных компонентов чаще всего удаляется
химическим путем. Следует отметить, что применение механических
методов снятия покрытий сопряжено с возможностью нанесения по-
вреждений на поверхности волокна, вследствие этого срок службы
сростка может существенно снизиться. Поэтому более предпочти-
тельным следует признать химический способ, однако при этом необ-
ходимо обеспечить надлежащую защиту персонала от воздействия
вредных веществ.
Производство скола ОВ. Выполнение скола волокон необходимо
для получения перпендикулярной и зеркальной торцевой поверхности
волокна. При наличии наклона торцов ОВ, как отмечалось выше, в
процессе сращивания возникают угловые смещения сердцевины. Оп-
тимальный скол волокна происходит в том случае, если создается
локальное механическое напряжение в месте излома при одновремен-
ном растяжении и изгибе волокна. Импульс для разрыва ОВ созда-
ется либо за счет механического прижатия лезвия, наносящего насеч-
ку на поверхности, либо с помощью электрического разряда.
Для выполнения скола разработано большое количество устройств
различной степени сложности. На рис. 6.14 показаны операции по
подготовке волокна к сколу, а на рис. 6.15 — различные типы ска
180
лывающих устройств. Скол произво-
дится в две стадии — насечка и раз-
рыв. Скорость падения алмазного ножа
регулируется специальным устрой-
ством. Для получения скола одновре-
менно у группы волокон разработано
устройство, аналогичное устройству
для одного волокна, но имеющее более
широкий ложемент.
Увеличение степени идентичности
всех сколов достигается одновремен-
ным касанием режущего валика всех
волокон и равномерным увеличением
усилия давления на ОВ по мере опуска-
ния резца. Для получения малых потерь
в сростке одномодовых ОВ необходи-
мо выполнить соосное согласование
сердцевин. Существуют три основных
способа обеспечения такого рода цент-
рирования: по максимуму передаваемой
световой энергии; по анализу геометри-
ческих параметров соединяемых ОВ,
снимаемых с их торцевых поверхнос-
тей; по центрированию волокон в им-
мерсионной среде, показатель прелом-
ления которой равен показателю пре-
ломления оболочки (только для меха-
нического соединения ОВ).
В настоящее время метод соосного согласования ОВ по максиму-
му сигнала является менее распространенным. Сварочные аппараты,
юстирующие ОВ по максимуму сигнала осуществляют ввод и вывод
энергии через изгиб волокна соответственно перед и после сращива-
ния. Этот вариант в настоящее время реализуется в большинстве кон-
струкций сварочных аппаратов.
Сварка ОВ. Сварка волокон выполняется в два этапа. Вначале про-
изводится оплавление концов ОВ с целью ликвидации на их торцевых
поверхностях микронеровностей, возникающих в процессе скола. На-
личие микронеровностей приводит к образованию воздушных пузырь-
ков в сростке и, тем самым, к существенному увеличению потерь. На
втором этапе выполняется непосредственно сварка ОВ. При этом ток
Рис. 6.14. Операции по
подготовке волокна к сколу
181
Рис. 6.15. Скалывающие устройства
дуги и длительность ее горения имеют несколько большие значения,
чем при оплавлении торцов ОВ. Кроме того, при расплавлении кварца
этот процесс должен сопровождаться вдавливанием одного волокна в
другое.
При сварке одномодовых ОВ уменьшение сил поверхностного на-
тяжения достигается нагревом концов волокон в узкой зоне большим
током дуги и меньшей длительностью ее горения. Критерий годности
сростка с точки зрения оптических потерь определяется требования-
ми, предъявляемыми к монтажу конкретной линии.
При сращивании ОВ современное сварочное оборудование позво-
ляет осуществлять контроль потерь в процессе сращивания. Кроме
того, в устройствах данного типа имеется возможность контроля
прочностных свойств незащищенного сростка и прогнозе его долго-
вечности. Растягивающая нагрузка при этом составляет 250-400 г.
Защита сварного соединения. Для повышения надежности мест
сварки используются различные виды защитных гильз. Конструкции
защитных гильз могут быть различными, однако, все они содержат
общие детали: термоусаживаемую трубку, трубку из легкоплавкого
182
материала типа севидена (для герметизации сростка) и армирующего
элемента. На рис. 6.16 представлены наиболее распространенные кон-
струкции гильз.
Из других видов защиты следует выделить метод «сэндвича», в
котором сросток размещается на подложке с V-образной канавкой,
изготовляемой из стеклопластика, заливается термопластичным кле-
ем и прижимается сверху крышкой.
Сварка ОВ с помощью лазера. К числу основных достоинств
данного типа сращивания следует отнести возможность получения
очень чистого сростка из-за отсутствия в нем инородных материалов
и, как следствие, малых потерь. Разработанные установки содержат
лазерный источник на СО2. Эти сварочные аппараты используются
для сварки ОВ на подводных кабелях.
Сварка ОВ в пламени газовой горелки. Сварка в пламени газовой
горелки в основном применяется для сращивания многомодовых ОВ.
К числу основных ее преимуществ следует отнести возможность по-
лучения сростков, отличающихся повышенными прочностными свой-
ствами.
Изготовление сростков высокими прочностными качествами гаранти-
рует устройство, содержащее трехпламенную горелку. При использова-
нии смеси кислород-хлор-водород достигается прочность сростка на
уровне 95% от первоначальной. Несмотря на положительные качества по-
лучаемых сростков, применение сварки в газовом пламени не получило
широкого распространения в силу сложности управления процессом и
необходимостью создания соответствующих условий.
6.5.2. Механическое соединение ОВ и типы
соединителей
Наряду со сварными соединениями ОВ, очень широко, особенно
для коротких линий, длиной менее 50 км, используются различные
типы механических соединителей. Основной целью использования
механических соединителей является соединение ОВ с низкой сто-
имостью каждого соединения и приемлемой для данных линий вно-
симыми потерями — не более 0,1...0,3 дБ. Сегодня фирмы-произво-
дители предлагают большое количество различных типов механи-
ческих соединителей.
Условно все типы можно разделить на два класса:
соединители с возможностью многоразового использования — до
10 раз (например, CORELINK фирмы АМР) (рис. 6.17);
183
Рис. 6.16. Защитные гильзы:
1 — внутренняя термоплавкая трубочка с подклеивающим слоем; 2 — стальной
стержень для механической защиты; 3 — термоусаживаемая гильза
184
соединители для одноразового со-
единения ОВ (например, Fibrlok фир-
мы ЗМ) (рис. 6.18).
Основные достоинства соединителей
многоразового использования:
многократное использование без
ухудшения параметров вносимого за-
тухания менее 0,1 дБ, затухание об-
ратного отражения не менее 55 дБ,
при широком диапазоне рабочих тем-
ператур от -40 до +80°С;
простая и экономичная технология
монтажа без использования дорогос-
тоящего оборудования для сварки и
тестирования.
Среднее время монтажа одномодо-
вых ОВ — 30 сек после подготовки ОВ.
Назначение:
для оперативного ремонта ВОЛС
при производстве аварийно-восстано-
вительных работ;
для соединения ОВ в помещениях и
Рис. 6.17. Механический
соединитель многоразового
использования
в полевых условиях;
для тестирования ВОК во время производства входного контроля
строительных длин.
Основные достоинства соединителей для одноразового соединения:
соединение ОВ с разным диаметром покрытия;
Рис. 6.18. Механический соединитель для одноразового соединения
♦ (0,250 in.)
(0,150 in.) ।----......,
185
высокое качество соединения < 0,1 дБ в среднем 0,07 дБ.
Используется при соединении ОВ в муфтах, срок службы соеди-
нения более 25 лет.
Назначение:
для оперативного монтажа соединительных муфт на ВОЛС;
для оперативного ремонта и восстановления муфт, так как разме-
ры совпадают с размерами термоусадок.
В настоящее время появились аналогичные соединители для лен-
точных кабелей (рис. 6.19).
Рис. 6.19. Механический соединитель для ленточных кабелей
Контрольные вопросы
1. Какой частоте соответствует оптическое колебание на длине волны
X = 1557 нм?
2. Перечислите основные нормативные документы, которые исполь-
зуются при проектировании и строительстве сетей связи.
3. Что такое одномодовое стандартное волокно, охарактеризуйте его?
4. Перечислите основные параметры механических соединителей
(коннекторов), используемых в современных системах распределительных
панелей.
5. Оцените разность длины участка, ограниченную дисперсией, при
использовании лазерного диода со спектральной шириной несущего сиг-
нала 0,45 нм и шириной измерительного сигнала в 20 нм.
6. Почему ВОК нечувствительны к электромагнитным полям и грозо-
вым разрядам?
186
7. Какой выигрыш получается при воздушной подвеске кабеля, если
использовать ролики с подшипниками качения, а не с подшипниками
скольжения?
8. Назовите основные типы оптических коннекторов, используемых в
распределительных оптических устройствах для систем магистральной
связи.
9. С какой целью используется иммерсионная жидкость?
10. В чем преимущества и недостатки механических соединителей ОВ?
11. Назовите основные типы оптических коннекторов, используемых в
распределительных оптических устройствах для систем магистральной
связи.
Глава 7
СТРОИТЕЛЬСТВО
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ВОЛС
В ПЛАСТМАССОВЫХ
ТРУБОПРОВОДАХ
И КАНАЛИЗАЦИИ
Способ строительства и монтажа с применением пластмассовых
трубопроводов получил распространение в России благодаря совме-
стной работе института «Гипротранссигналсвязь», Лентелефонстроя и
Научно-исследовательского и проектно-конструкторского института
средств автоматизации на железнодорожном транспорте. В настоящее
время он широко используется при сооружении кабельных линий не
только на железнодорожном транспорте, но и на объектах «Ростеле-
кома», АО «Газпром» и других ведомств.
Применение пластмассовых трубопроводов (наряду с термином
пластмассовый трубопровод далее будет также использован его крат-
кий синоним — трубка) позволяет повысить надежность работы
ВОЛС; улучшить условия технического обслуживания, ремонта и
восстановления кабелей; повысить защиту кабелей от вибрационных
воздействий, вызываемых проходящими поездами, а также от меха-
нических напряжений, возникающих в результате деформации почвы,
например при воздействии мерзлотно-грунтовых процессов (мороз-
ного пучения, перемещений грунта при оттаивании, морозобойных
трещин и др.), от электро-и почвенной коррозии; выполнять замену и
дополнительную прокладку кабелей без производства земляных ра-
бот, что способствует повышению безопасности движения поездов и
снижению затрат на ремонтно-восстановительные работы.
Учитывая отечественный и зарубежный опыт строительства и эк-
сплуатации кабельных линий связи по этому методу (в том числе и
на железных дорогах), можно утверждать, что это наиболее перспек-
тивный способ прокладки оптических и электрических кабелей, осо-
бенно в трубопроводах, уложенных в полосе отвода, а также в зем-
ляном полотне, где их прокладку с технико-экономической точки
188
зрения целесообразно осуществлять с применением рельсовых кабе-
леукладчиков.
Трасса прокладки трубопроводов выбирается с учетом конкрет-
ных условий в районе строительства. На одной части трассы он мо-
жет проходить в полосе отвода, а в другой — в теле земляного
полотна. Невозможны рекомендации безотносительно конкретных ус-
ловий, можно лишь указать некоторые условия, которые существен-
но влияют на обоснование выбора места трассы трубопровода.
Так в районах воздействия мерзлотно-грунтовых процессов про-
кладка трубок проводов в земляном полотне предпочтительнее про-
кладки в полосе отвода, так как уменьшается вероятность поврежде-
ния кабеля от деформаций грунта, это тоже относится и к прокладке
в сильно заболоченной полосе отвода, такой как, например, на уча-
стках Тюмень - Тобольск или Архангельск - Северодвинск.
На некоторых участках прокладка трубопроводов возможна внут-
ри существующих желобов или в кабельной канализации (особенно
в пределах станций).
7.1. Преимущества прокладки кабелей
в пластмассовых трубопроводах
Прокладка кабелей в трубопроводах имеет следующие преимуще-
ства:
— наибольший срок службы оптических кабелей;
— кабели защищены от механических повреждений лучше, чем
бронированные кабели при непосредственной прокладке в грунт;
— возможность замены кабеля без выполнения земляных работ,
(например, при необходимости увеличения количества волокон или
ремонте);
— возможность укладки резервного кабеля в обход поврежденно-
го участка (при наличии резервной трубки);
— появляется возможность предоставления права прохода для
линейных сооружений других операторов;
— технико-экономическая возможность разделения суммарного
трафика, передаваемого по одному оптическому кабелю по отдель-
ным его составляющим с передачей по разным оптическим кабе-
лям, например, по одному кабелю передавать международный
трафик, по другому — магистральной связи, по третьему — техно-
логической связи и т.д при незначительном удорожании стоимости
строительства;
189
— производить работы по прокладке кабеля при новом строитель-
стве и модернизации связи по мере поступления кабелей.
Указанные преимущества прокладки ОКС в предварительно про-
ложенный трубопровод особенно важны для трасс, имеющих много-
численные пересечения подземных коммуникаций, рек и водотоков,
проходящих по местности, требующих сезонности работ. Как извес-
тно, в настоящее время основным способом прокладки ОКС, в ус-
ловиях железнодорожного транспорта, большинством специалистов
считается подвеска ОКС на опорах контактной сети. Два их главных
довода: наименьшие строительно-монтажные затраты и самый корот-
кий срок строительства.
Заметим, что прокладка трубок с помощью кабелеукладчиков не
вызывает удорожания стоимости строительства ВОЛС по сравнению
с подвеской по опорам контактной сети самонесущего оптического
кабеля или прокладкой ОКС в грунт, принимая во внимание мень-
шую стоимость ОКС при прокладке в трубопроводе по сравнению с
кабелем, прокладываемым непосредственно в грунт или подвесным
самонесущим, хотя он и требует двухэтапности производства работ:
сначала прокладка трубопровода, а затем затягивание в него ОКС.
Эксплуатационные расходы на содержание кабеля, подвешенного
на опорах контактной сети, выше, чем при прокладке в трубопрово-
дах за счет того, что обслуживание подвесного кабеля выполняется
работниками двух служб: связи и электроснабжения, а также тем, что
при производстве работ, связанных с заменой опор контактной сети
и обслуживанием высоковольтных линий продольного электроснаб-
жения, требуется одновременное присутствие работников обеих
служб.
Прокладка кабелей в трубках повышает надежность работы ка-
бельных линий, увеличивает срок службы оптических кабелей. Ми-
ровой опыт показал, что кабели в трубопроводах повреждаются зна-
чительно реже, чем подвесные кабели. При укладке трубок в грунт
устраняются возможные причины повреждения кабелей, подвешен-
ных на опорах контактной сети: разрушение опор контактной сети из-
за коррозии арматуры или аварий, при производстве работ по выбо-
рочной или сплошной замене опор контактной сети, пожары,
прострелы охотниками, разрывы машинами и механизмами служб
электроснабжения и пути. Заметим, что некоторые из перечисленных
причин повреждений подвесных кабелей могут быть исключены за
счет их размещения в предварительно подвешенные на опо-
рах контактной сети специальные трубопроводы типа «восьмерка»,
190
см. п. 7.2, что обеспечит защиту кабеля от механических поврежде-
ний, воздействия солнечной радиации, сернистого газа, содержаще-
гося в атмосфере промышленных районов, и др. (если подвеску
позволяет сделать несущая способность опор).
7.2. Типы полиэтиленовых трубопроводов
Типы полиэтиленовых трубопроводов. Полиэтиленовые трубо-
проводы изготавливаются с различной формой внутренней и внешней
поверхности (рис. 7.1).
Гладкостенный трубопровод нашел наибольшее применение на
железных дорогах России. Он предназначен для прокладки непосред-
ственно в грунт или в существующую кабельную канализацию. В
настоящее время в основном прокладываются трубопроводы из поли-
этилена высокой плотности фирмы «Dura-Line», имеющие специаль-
ное твердое внутреннее покрытие, снижающее коэффициент трения.
Динамический коэффициент трения равен:
— при контакте внутренней поверхности трубки с полиэфирно-
полиэтиленовым тросиком — не более 0,056;
— при контакте внутренней поверхности трубки с полиэтиленовой
оболочкой кабеля — не более 0,10;
Рис. 7.1. Типы полиэтиленовых трубопроводов:
а — гладкостенный; б — ребристый; в — гофрированный; г — типа «восьмер-
ка»; д — сотовый; 1 — скользящая поверхность; 2 — наружная оболочка
191
— при контакте наружной поверхности с поверхностью трубки из
ПВХ не более 0,344.
Технические характеристики гладкостенных трубопроводов при-
ведены в табл. 7.1.
Ребристый трубопровод имеет меньшую контактную поверхность по
сравнению с гладкостенными, что облегчает прокладку кабеля методом
тяжения и улучшает условия прокладки кабеля в воздушном потоке за
счет более высокой турбулентности воздушного потока по сравнению с
гладкостенным трубопроводом при прочих равных условиях.
Гофрированный трубопровод используется для прокладки на ко-
ротких участках в местах с ограниченной пространственной манев-
ренностью.
Трубопровод типа «восьмерка» имеет встроенный оцинкованный
несущий трос для воздушной подвески трубопровода.
Характеристики гладкостенных трубопроводов
фирмы «Dura-Line»
Таблица 7.1.
Наруж- ный диаметр, мм Внутрен- ний диаметр, мм Максималь- ная растягиваю- щая на грузка, кН Допустимое усилие при тяженин, кН Допустимая устой- чивость на смятие, МПа Допустимое избыточное внутреннее давление, МПа Условия прокладки
25 21,0 2,88 2,1 1,5 1,6 В канализации или желобах
32 27,0 4,60 3,4 1,3 1,6 То же
32 26,0 5,45 4,1 2,3 2,0 В траншее или щели
32 25,0 6,24 4,7 3,9 2,0 То же
37 32,0 5,40 4,0 1,0 2,2 В канализации или желобах
37 31,0 6,38 4,8 1,5 2,2 То же
40 35,0 5,85 4,4 0,8 2,0 «
40 34,0 6,95 5,2 1,1 2,2 В канализации или желобах
40 33,0 8,0 6,0 1,8 2,5 То же
40 32,0 9,0 6,8 2,9 2,5 В траншее или щели
50 43,0 10,10 7,7 1,0 2,2 В канализации или желобах
50 42,0 11,56 8,7 1,5 2,5 То же
50 41,0 12,70 9,5 2,1 3,0 В траншее или щели
63 55,0 14,80 11,1 0,8 2,9 В канализации или желобах
63 53,0 18,2 13,6 2,5 2,2 В траншее или щели
192
Сотовый трубопровод строится из отдельных трубок с примене-
нием крепления типа «застежки-молнии», которая соединяет трубки
друг с другом для прокладки в главном (большего диаметра) трубо-
проводе или кабельной канализации. Такая конструкция удваивает
вместимость главного трубопровода.
Сравнительные механические характеристики различных типов
трубопроводов приведены в табл. 7.2.
Для удобства эксплуатации на трубках нанесена маркировка, со-
держащая наименование организации — владельца трубки, и цифры,
указывающие ее длину от концов до места нанесения маркировки.
Маркировка повторяется через 1 м.
Таблица 7.2. Механические характеристики трубопроводов
Характеристики Тип трубопровода
Гладкостенный Ребристый Гофрированный
Прочность на раздавливание Высокая Высокая Средняя
Прочность на разрыв Высокая Высокая Низкая
Гибкость Средняя Средняя Высокая
7.3. Прокладка пластмассовых
трубопроводов и обозначение трассы
При строительстве подземных ВОЛС, как и при строительстве
электрических кабельных линий, выполняются следующие основные
работы: разбивка трассы; подготовительные работы — планировка
местности, предварительное вскрытие существующих подземных ка-
бельных линий и других коммуникаций в местах их пересечений со
строящейся ВОЛС, отрыв котлованов под кабельные колодцы и/или
камеры; прокладка ОКС или трубопровода в грунт может осуществ-
ляться траншейным или бестраншейным способом (кабелеукладчи-
ком) (рис. 7.2). В последнем случае ножом кабелеукладчика в грунте
прорезается узкая щель и кабель или труба укладывается на ее дно.
Практически в настоящее время кабелеукладчиком могут проклады-
ваться одновременно три полиэтиленовых трубопровода (два диамет-
ром 50 мм и один Ж40 мм). Прокладка трубопроводов кабелеуклад-
чиком сокращает трудоемкость работ в 10...20 раз по сравнению
с траншейным способом. При использовании кабелеукладчика одно-
193
Рис. 7.2. Прокладка
трубопровода с применением
кабелеу кладчика:
1 — трубопровод; 2 — барабан с
трубопроводом; 3 — направляющий
блок; 4 — поддерживающие ролики;
5— кассета; 6— нож; 7— трактор
временно происходит образование траншеи, размотка и укладка тру-
бопровода.
Опыт строительства первого отечественного трубопровода пока-
зал, что в комплект машин и механизмов для бестраншейной про-
кладки трубок целесообразно включить бункеры для устройства ниж-
ней и верхней постели с подачей песка непосредственно в щель.
Песок загружается в бункер с самосвалов. Бункер может быть само-
ходным или находиться на самоходном кабелеукладчике или плат-
форме, сцепленной с самоходным или буксируемым кабелеукладчи-
ком или с раскаточной платформой. Трубки при прокладке в обочине
на перегоне и станции должны закапываться на глубину не менее 1,1
м от поверхности грунта. При укладке нескольких трубок в верти-
кальной плоскости верхняя трубка должна располагаться на глубине
не менее 1,1м. Номинальная глубина прокладки в России составляет
1,2 м. Из известных нам зарубежных технических условий на глуби-
ну прокладки ОКС и трубопроводов наибольшая глубина прокладки
имеет место в Индии, где она составляет 1,6 м.
При прокладке нескольких трубок необходимо следить за тем,
чтобы не было их перекрещиваний, а цвета и диаметры трубок в
месте соединения совпадали. При этом концы трубок в месте соеди-
нения (если они не сваривались) должны перекрывать друг друга на
длине не менее 1 м. Длины концов трубок для соединения с камера-
ми определяются местами установки камер (по оси трассы или на
выноске).
После прокладки трубок на ряде участков, при наличии поверхно-
стных вод, наблюдалось всплытие трубок на длине 10...30 м. Чтобы
трубки не всплывали, запрещается их укладка в воду, в разжижен-
ный грунт и по трассе с наличием поверхностных вод. В исключи-
тельных случаях при целесообразности прокладки трубок в указан-
ных условиях, необходимо использовать прокладку с пригрузом
(например, мешками с песком), предотвращающим всплытие трубок.
194
Трубки, предназначенные для бестраншейного способа проклад-
ки, могут быть намотаны на барабанах, устанавливаемых на кабеле-
укладчике или раскаточной платформе, либо предварительно раската-
ны вдоль трассы прокладки.
Чтобы исключить перезарядку кассеты ножа кабелеукладчика при
смене барабанов, целесообразно соединять концы уложенной трубки
и вновь укладываемой с барабана с помощью электросварной муфты,
монтируемой на трубках до ввода в кассету (типы муфт для соеди-
нения трубок см. п. 7.4). Это позволяет также не рыть котлован для
монтажа соединительной муфты.
При прокладке большого числа трубок используется траншейный
способ, для которого необходимы следующие машины и механизмы:
тяговое средство, бункер (при необходимости устройства нижней
постели), механизм для раскатки трубки с катком для ее прижатия ко
дну траншеи, бункер для устройства верхней постели. Тяговое сред-
ство может быть оборудовано приспособлением для установки бара-
бана с трубкой. Желательно, чтобы на траншеекопателе была предус-
мотрена установка барабана с трубкой с одновременным исполь-
зованием траншеекопателя в качестве тягового средства для букси-
ровки бункера с песком.
В качестве одной из мер для предохранения трубок и кабеля от
повреждений при подземной их прокладке используется предупреди-
тельная лента, которая располагается выше трубок на 300 мм по оси
щели или траншеи.
При прохождении трубок по мостам и на подходах к ним необхо-
димо подбирать строительные длины кабелей так, чтобы камеры для
размещения соединительных кабельных муфт или запасов кабеля рас-
полагались вне моста и низин; прокладка трубок с полосы отвода к
конструкциям моста выполняется под углом не менее 60° по отноше-
нию к пути; при переходе с конструкций моста в грунт трубки поме-
щают в пластмассовые или асбоцементные трубы или железобетон-
ные желобы с крышками, укладываемые под углом 30° к поверх-
ности; для компенсации изменения длины трубок при изменении тем-
пературы окружающей среды на трубках монтируются специальные
термокомпенсирующие муфты. Полиэтиленовый трубопровод и ОКС
имеют различные температурные коэффициенты удлинения. При про-
кладке трубопроводов по земле, желобам или воздушной подвеске,
т.е. в случаях большого диапазона изменения температур, полиэтиле-
новый трубопровод удлиняется значительно больше, чем ОКС. Поэто-
му трубопровод должен содержать элемент, в котором трубопровод
195
мог бы проскальзывать относительно кабеля. В качестве такого эле-
мента используется термокомпенсационная муфта. С одной стороны
муфта плотно обжимает трубопровод, а другой ее конец позволяет
перемещаться трубопроводу внутри муфты при сохранении герметич-
ности.
Муфты располагаются в желобе в начале конструкции моста; на
мостах длиной от 30 до 400 м термокомпенсирующие муфты устанав-
ливаются только с одной стороны моста; на мостах длиной свыше
400 м — с двух сторон; на мостах длиной менее 30 м компенсиру-
ющие муфты не устанавливаются.
Обозначение трассы прокладки трубопроводов. Как показал
опыт прокладки трубопроводов на объектах Ростелекома, трудно
отыскать трассу трубопровода для выполнения ремонтных работ по-
врежденного трубопровода даже в процессе строительства. Одна из
причин повреждения трубопроводов при бестраншейном способе
прокладки — это появление трещин и вмятин при сдавливании тру-
бопровода камнями, раздвинутых ножом кабелеукладчика при про-
давливании щели. Трубопровод и ОКС полностью диэлектрические и
поэтому для них не применимы методы отыскания трасс электричес-
ких кабелей связи. Поэтому обозначение трассы трубопровода на
исполнительной документации является важным требованием с точки
зрения его последующей эксплуатации.
Трассу прокладки трубопроводов на перегонах и станциях, рас-
положенную на расстоянии более 10 м от крайнего железнодорож-
ного пути, обозначают железобетонными или металлическими стол-
биками, устанавливаемыми на прямолинейных участках трассы
через каждые 250-300 м, а в кривых — через каждые 150 м,
а также у мест соединения трубок, у вершины угла поворота трас-
сы, у концов защитных труб при пересечении железных и авто-
мобильных дорог, у мест пересечения продуктопроводов, водо-
провода, канализации и других подземных коммуникаций на пере-
гонах.
При обозначении трассы и мест расположения муфт на трубках
(трубах) замерный столбик необходимо устанавливать на расстоянии
0,1 м от продольной оси щели или траншеи со стороны поля, для
обозначения поворота трассы — на расстоянии 0,1 м от вершины
угла поворота со стороны поля. Трассу прокладки трубопроводов, а
также места расположения подземных кабельных муфт желательно
обозначить пассивными электронными маркерами в дополнение к
установке замерных столбиков.
196
Принцип действия электронных маркеров основан на резонансном
отражении радиосигнала посылаемого маркероискателем. При при-
еме отраженного сигнала маркероискатель подает звуковой и/или ви-
зуальный сигнал оператору.
7.4. Соединение строительных длин
трубопроводов и проверка
проходимости и герметичности
магистрали
Соединение строительных длин трубопроводов. Соединение
пластмассовых трубопроводов, не содержащих внутри кабель, мож-
но выполнять с применением: пластмассовых резьбовых муфт,
(рис. 7.3, а); металлической резьбовой муфты (рис. 7.3, б); пласт-
массовых электросварных муфт (рис. 7.3, в).
Пластмассовые резьбовые муфты обеспечивают герметичное со-
единение трубок с допускаемым внутри трубопровода давлением до
2,5 МПа, позволяют многократный демонтаж-монтаж, а также осуще-
ствлять соединение трубок различного диаметра.
Пластмассовая резьбовая муфта представляет собой пластмассо-
вую трубку с правосторонней наружной резьбой на одном конце и
левосторонней — на другом. Она оснащена средней гайкой, двумя
гайками, навертываемыми с каждого конца трубки и двумя внутрен-
Рис. 7.3. Муфты для соединения
пластмассовых трубопроводов:
а — пластмассовая муфта с резьбовым со-
единением; б — металлическая резьбовая
муфта; в— пластмассовая электросвароч-
ная муфта; 1 — выводы для подключения
электропитания; 2 — электронагреватель-
ный спиральный элемент
197
ними фиксирующими шайбами. Применяются пластмассовые муфты
двух типов: соединительные — для двух трубок одинакового диамет-
ра и переходные — для соединения двух трубок разных диаметров.
Металлическая муфта представляет собой тонкостенную трубку с
правой и левой симметрично расположенной внутренней резьбой.
Такая конструкция позволяет затягивать концы стыкующих трубок в
муфту простым вращением в одном направлении. Металлические
муфты не являются влагонепроницаемыми и для защиты от проник-
новения влаги внутрь трубопровода, поверх муфты должно быть
предусмотрено защитное покрытие в виде термоусаживающей трубки
или клеящей ленты совместно с лентой АРМОКАСТ. Соединение с
применением металлических муфт не обеспечивает герметичность при
давлении 2,5 МПа, т.е. нельзя использовать способ прокладки ОКС
в потоке воздуха, см. п. 7.5.
Отечественный и мировой опыт эксплуатации подземных кабель-
ных линий показал эффективность размещения кабельных муфт в
подземных камерах (контейнерах) (рис. 7.4) для защиты кабельной
муфты от механических повреждений и удобства доступа к муфте в
процессе эксплуатации, а также размещения технологического запаса
оптического кабеля. Часть этого запаса может быть использована для
подтягивания концов разорванного кабеля для возможности монтажа
одной соединительной муфты, вместо двух, которые требуются при
обычном ремонте с использованием кабельной вставки (рис. 7.5).
Для возможности перемонтажа муфты вне котлована в специализиро-
ванном автомобиле или палатке каждый конец кабеля должен иметь
запас не менее 8 м. Заметим, что до недавнего прошлого для защиты
муфт использовались специальные защитные муфты с заполняющим
Рис. 7.4. Камера для
размещения муфт
и технологического
запаса кабеля
пустоты герметиком, что значительно увеличи-
вало трудозатраты при необходимости вскры-
тия муфт. Некоторые зарубежные операторы
подземных ВОЛС размещают муфты в надзем-
ных шкафах, другие, наоборот, даже в случае
воздушных ВОЛС делают подземные муфты.
Место установки каждой камеры определя-
ется представителями организации, выполняю-
щей работы по прокладке трубок и кабелей,
совместно с представителями заказчика. Это
место выбирают в зависимости от строитель-
ной длины кабеля, грунтовых и планировоч-
ных условий по трассе прокладки трубок.
198
Рис. 7.5. Ремонт разорванного кабеля:
а — разорванный кабель; б — с подтяги-
ванием концов разорванного кабеля (одна
муфта); в— с кабельной вставкой (две
муфты)
Камеры для размещения запасов кабелей или соединительных
муфт устанавливаются в непосредственной близости от места перехо-
да трубок на мост с одной или двух сторон. Выбор места для уста-
новки камеры зависит от длины прокладываемого кабеля.
В случае сухих, глиняных и песчаных грунтов при уровне грун-
товых вод ниже глубины промерзания, камера устанавливается в
котловане на выровненное и уплотненное песчаное основание и засы-
пается дренирующим грунтом (рис. 7.6, а).
В глинистых и песчаных мокрых грунтах при уровне грунтовых
вод на уровне поверхности грунта камера устанавливается на повер-
хности грунта с последующей обваловкой (рис. 7.6, б).
При нахождении подземных вод ниже поверхности грунта, но
выше глубины промерзания, камера устанавливается в котловане
выше уровня подземных вод на 20 см.
Проверка трубок на проходимость и герметичность. Все про-
ложенные трубки проверяются на отсутствие загрязнения канала, на
проходимость и герметичность либо сразу на всем участке между
двумя смежными соединительными муфтами на волоконно-оптичес-
ком кабеле (камерами), либо по частям, разбивка на которые произ-
водится с учетом необходимости протягивания кабеля по более ко-
ротким отдельным участкам, длина которых определяется расчетом
допустимых усилий тяжения см. п. 7.6 и/или местами установки про-
межуточных механизмов при прокладке ОКС.
Проверка на отсутствие загрязнений, препятствий, воды и одно-
временно прочистка проводится первоначально продувкой его воз-
душным потоком от компрессора с максимальной подачей воздуха,
затем прогоном губчатого цилиндра, например из поролона с диамет-
ром в 1,5-2 раза большим, чем у трубопровода. Давление в начале
трубопровода более номинального обуславливается одним из следу-
ющих факторов или их сочетанием: засорение трубопровода, суже-
ние, полное сжатие; заполнение изгибов трубопровода водой. Более
низкое, по сравнению с номинальным, давление говорит о негерме-
199
Рис. 7.6. Установка камер:
а — уровень грунтовых вод ниже глубины промерзания; б — уровень грун-
товых вод на поверхности грунта
тичности трубок в результате повреждений или некачественного со-
единения трубок.
Непосредственно перед прокладкой кабеля трубки проверяются на
проходимость с помощью деревянного или пластмассового цилинд-
ра, перемещаемого потоком воздуха, подаваемого в трубку от ком-
прессора.
При проверке герметичности оба конца смонтированного трубо-
провода заделываются специальными пластмассовыми заглушками
с вентилями или термоусаживаемыми оконцевателями с вентилями. В
один конец смонтированной трубки подается воздух от компрессора
под давлением 50-100 кПа. К другому концу присоединяется мано-
метр для измерения давления. Через 24 ч после подачи воздуха па-
дение давления не должно превышать 0,5% на одну муфту и 20% на
участке протяженностью 6 км.
200
Место непроходимости или негерметичности трубки можно опре-
делить, используя цилиндр с датчиком радиосигналов. При этом по-
ложение цилиндра отслеживается с помощью специального приемни-
ка. В месте непроходимости или негерметичности цилиндр с датчиком
прекратит движение. По сигналам датчика можно определить место
непроходимости или разгерметизации. Если в месте разгерметизации
цилиндр с датчиком не остановился, то о нахождении этого места
будет свидетельствовать резкое снижение скорости перемещения ци-
линдра. Тогда необходимо повторно продуть цилиндр с датчиком в
трубке, но под меньшим давлением воздуха (с меньшей скоростью),
что приведет к его остановке.
Если по той или иной причине, например, из-за сложных топогра-
фических условий, полностью смонтировать трубку на участке про-
кладки кабеля временно не представляется возможным, то уложен-
ные трубки содержатся под избыточным давлением воздуха
50-100 кПа с периодической (один раз в две недели) проверкой
давления в них.
Поврежденные места трубки (например, землеройными машина-
ми, ломом, лопатой) в зависимости от размеров повреждения заме-
няются вставками, соединяемыми с основными трубками резьбовыми
муфтами. Можно также воспользоваться методами, рекомендуемыми
для восстановления поврежденных оболочек кабелей (например, с
использованием разрезных термоусаживаемых рукавов, самослипа-
ющихся резиновых электроизоляционных лент и др.).
Результаты проверки трубок на проходимость и герметичность
оформляются протоколом.
7.5. Способы прокладки оптических
кабелей в трубопроводах и кабельной
канализации
Современная кабельная канализация строится из полиэтиленовых
или поливинилхлоридных труб с наружным диаметром 100-160 мм,
в которые затягиваются полиэтиленовые трубопроводы обычно диа-
метром 32 или 40 мм (рис. 7.7). Последние следует затягивать в
канализацию либо поочереди (по мере необходимости) с применени-
ем чулка для захвата полиэтиленовой трубки (рис. 7.8) или одновре-
менное затягивание нескольких трубок с применением устройства
типа «паук» (рис. 7.9). Во избежание ослабления обжимающего эф-
фекта чулка нельзя делать его обвязку лентой по всей длине. Затяги-
201
Рис. 7.7. Канал кабельной
канализации с тремя
трубками для прокладки
кабелей:
1 — канал кабельной канали-
зации; 2 — трубка; 3 — ка-
бель
вание пластмассовых трубопроводов в
кабельную канализацию делается с тем,
чтобы каждый кабель имел собствен-
ный кабелевод (канал). Это делается
для того, чтобы каждый кабель в кана-
лизации при их демонтаже и при про-
кладке последующих не нарушал рабо-
ту действующих кабелей. Если этого не
делать, то кабели при прокладке пере-
виваются между собой, и требуется
приложить большие усилия на растя-
жение при демонтаже и новой проклад-
ке кабеля, что не всегда допускают ме-
ханические характеристики кабеля.
Кроме того, в этом случае неэффектив-
но используется площадь поперечного
сечения канала кабельной канализации, всего 20-25% площади сече-
ния канала.
Основные способы прокладки ОКС в трубопроводах. В настоя-
щее время наибольшее применение получили:
— тяжение за конец кабеля с одновременным его проталкиванием
у входного конца трубопровода и/или в промежуточных точках по
трассе трубопровода, так называемая каскадная установка механиз-
мов для прокладки кабеля;
— прокладка в потоке воздуха с одновременным его проталкива-
нием у входного конца трубопровода и/или в промежуточных точках
по трассе трубопровода;
— тяжением только за конец кабеля.
Проталкивающий кабель механизм состоит из двухрядной систе-
мы вращающихся роликов, между которыми проходит кабель и за
счет трения создается проталкивающее усилие, которое передается
кабелю через его оболочку. Вместо роликов могут использоваться
Трубка
&
Заглушка
^Выполните лентой бандажи
Я*®) Обматывайте только конец чулка
Рис. 7.8. Захват трубки с применением кабельного чулка
202
Трубка
Конические винтовые
наконечники
Компенсатор
кручения
Компенсатор кручения
Четыре тяговые ветки
Тяговый трос
Рис. 7.9. Устройство для одновременного затягивания нескольких
трубок в канал кабельной канализации
две кабелепротяжные ленты. В последнем случае сила проталкивания
может достигать 1000 Н, что соизмеримо с силой тяжения за конец
кабеля и поэтому значительно увеличивает длину прокладываемого
кабеля, особенно при каскадном включении проталкивающих меха-
низмов в нескольких промежуточных точках по трассе кабеля.
Затягивание кабеля в трубопровод с применением лебедок должно
выполняться в направлении, противоположном направлению проклад-
ки трубопровода. Лебедка должна быть оснащена кабестаном и элек-
тронным устройством, записывающим величины приложенных к ка-
белю усилий тяжения. Оно одновременно фиксирует три непрерывно
меняющихся величины: проложенный метраж, усилие тяжения, ско-
рость прокладки, а также фиксирует год, месяц, число, порядковый
номер строительной длины и максимальное значение усилия тяжения
в процессе прокладки этой длины.
Выбор способа прокладки ОКС в трубопроводы строительными
фирмами определяется механизмами и оборудованием, имеющемся в
их распоряжении. В России в основном используются два способа
прокладки: тяжением за конец кабеля и в потоке воздуха.
Прокладка кабеля в потоке воздуха. Прокладка кабеля в вихре-
вом потоке воздуха в трубопроводе обусловлена вязкостью воздуха
203
и проходит за счет трения между оболочкой кабеля и воздушным
потоком. Сила, приложенная к кабелю, распределена по всей длине
кабеля, находящегося в трубопроводе, что является существенным
преимуществом по сравнению с прокладкой способом тяжения, где
сила тяжения прикладывается только к концу кабеля (рис. 7.10). Те-
оретически доказано, что сила тяжения, приложенная к оболочке ка-
беля за счет вязкости воздуха, достаточна для его перемещения вдоль
трубопровода только при длине кабеля, находящего в трубопроводе,
больше критической длины, значение которой зависит от внутреннего
диаметра трубопровода, диаметра кабеля и давления воздуха в трубо-
проводе, обычно значение критической длины равно нескольким
сотням метров. Поэтому прокладка кабеля в потоке воздуха (вдува-
ние кабеля) возможно только совместно со способом проталкивания,
который должен как минимум обеспечить прокладку кабеля в преде-
лах критической длины. Таким образом, устройство для прокладки
кабеля в потоке воздуха (рис. 7.11) состоит из смонтированных на
общей станине струенаправляющей головки с патрубками для присо-
единения трубопровода и компрессора, комплектов сальников для
герметизации входного отверстия, через которое кабель от кабелепро-
тяжного механизма проталкивается в головку и далее трубку, а также
измерительного блока для индикации скорости прокладки и уложен-
ной в трубопровод длины кабеля. Компрессор для создания вихрево-
го потока должен обеспечивать производительность 5-12 м3/мин со-
ответственно при диаметрах трубопровода 30-50 мм.
В зависимости от строительной длины кабеля и количества комп-
лектов устройств и оборудования, имеющегося в распоряжении строи-
тельно-монтажной организации, возможно каскадное включение ком-
плектов оборудования (рис. 7.12) с расстоянием между ними 700-
3000 м, в зависимости от трассы, или поочередное использование од-
F
Рис. 7.10. Приложение усилий тяжения (F) к кабелю:
а — в одной точке при прокладке тяжением за конец кабеля; б — распределен-
ного по длине кабеля при прокладке в потоке воздуха: 1 — кабель;
2 — устройство для захвата кабеля; 3 — трос
204
ного комплекта (рис. 7.13), в случае, если длина кабеля превышает
длину, которую одноразово можно проложить с применением одного
комплекта оборудования.
При использовании одного комплекта оборудования чаще всего
барабан с кабелем размещается у начала уложенной трубки. Кабель
Рис. 7.11. Устройство для прокладки кабеля в потоке воздуха:
1 — струенаправляющая головка; 2 — сальники; 3 — кабелепротяжный меха-
низм; 4 — кабель; 5 — трубопровод
Рис. 7.12. Каскадное включение двух комплектов оборудования для
прокладки кабеля в воздушном потоке:
1 — барабан с кабелем; 2 — первый котлован; 3 — кабель; 4 — устройство
для вдувания кабеля; 5 — компрессор; 6 — второй котлован; 7— трубопровод;
8 — камера
Рис. 7.13. Поочередное использование одного комплекта оборудования
для прокладки кабеля в воздушном потоке:
1 — барабан с кабелем; 2 — устройство для вдувания кабеля; 3 — компрессор;
4 — кабелеподающий механизм; 5 — «Фигаро»
205
длиной, необходимой для прокладки на всем участке смонтированного
трубопровода (например, между котлованами А-С, рис. 7.13), вдува-
ется в трубку, принимается у ее разреза в конце первого участка про-
кладки (котлован 5) и укладывается вручную на грунте «восьмерка-
ми» (рис. 7.14) или наматывается на специальную металлическую
корзину «Фигаро» (рис. 7.15). В ней может быть уложено до 2000 м
кабеля (в зависимости от его диаметра). Ее масса — около 100 кг,
диаметр — 2,25 м. Для удобства транспортировки устройство разби-
рается на четыре части. Преимуществами использования «Фигаро»
вместо традиционной укладки кабеля «восьмерками» являются — пре-
дохранение кабеля от загрязнений и малая площадь, занимаемая уст-
ройством. При выкладке кабеля «восьмерками» необходимо перед
дальнейшей прокладкой кабеля в трубку следующего участка перевер-
нуть уложенную бухту для доступа к концу кабеля и для устранения
кольцевания кабеля в процессе размотки бухты, что привело бы к
значительному увеличению трения со стенками трубопровода.
После прокладки кабеля на первом участке механизм для вдува-
ния кабеля и компрессор перемещаются от первого котлована ко вто-
рому. Вдувание кабеля в трубку, проложенную на втором и последу-
ющих участках, делается аналогично вдуванию на первом участке.
Рис. 7.14. Укладка кабеля
«восьмерками»:
1 — кабель; 2 — трубопроводы
При наличии двух комплектов
оборудования (см. рис. 7.12) ко-
нец кабеля, подаваемого в трубку
первого участка с кабельного ба-
рабана, после его выхода у вто-
рого котлована вдувается вторым
комплектом оборудования в труб-
ку второго участка до следующей
камеры. При этом комплекты обо-
рудования у первого и второго
котлованов работают одновремен-
но, действия операторов коорди-
нируются по радиосвязи.
Рис. 7.15. Устройство для перемотки
кабеля типа «Фигаро»:
1 — место для установки кабелепротяжно-
го механизма; 2 — поворотный механизм
укладки кабеля в корзину; 3 — корзина
206
При наличии на трассе уклонов и подъемов прокладку кабеля
начинают, по возможности, вниз по уклону. Подъемы, расположен-
ные в начале трассы, сокращают длину подлежащего прокладке ка-
беля в большей степени, чем подъемы в конце трассы его прокладки.
7.6. Расчет усилия тяжения при
прокладке кабеля в телефонной
канализации
Цель расчета состоит в проверке возможности прокладки кабеля
при тяжении лебедкой только за конец кабеля. Максимальное усилие
тяжения кабеля при прокладке не должно превышать допустимого
значения для данного кабеля. В тех случаях, когда расчетные значе-
ния превышают допустимые или незначительно меньше последних,
рассматривают различные варианты по уменьшению требуемых уси-
лий тяжения, например, таких как изменение направления тяжения,
промежуточных лебедок, укорочения длины участка прокладки за
счет деления общей длины на несколько участков, уменьшение коэф-
фициента трения за счет использования: жидких смазок, роликов в
местах изменения направления трассы.
Для расчета усилий тяжения кабеля требуются следующие исход-
ные данные:
— трасса кабельной линии с указанием изменения направления
прокладки в горизонтальной и вертикальной плоскостях;
— коэффициент трения между оболочкой кабеля и стенками кана-
лизации;
— масса на единицу длины кабеля.
Следующие допущения', одиночные углы поворота меньше 7° и
двойные равные углы поворота при величине менее 4°
(рис. 7.16) — не учитываются.
Последовательность расчета и расчетные формулы. Суммарное
усилие тяжения можно рассчитать, суммируя значения усилий тяжений
на каждом прямолинейном участке трассы и приращения усилий тяже-
ний на участках изгиба трассы кабеля в направлении тяжения, начиная
от места начала протяжки по следующим формулам:
участок с наклоном
Т = Т. + cos0 + sin0) • 10-3; (7.1)
прямой горизонтальный участок
(0 = 0°) Т = Т. + pAvg • 10~3; (7.2)
207
Рис. 7.16. Углы поворота трассы трубопровода:
а — одиночные; б — двойные
вертикальный участок
(6 = 90°) Т = 7; + £wg • 10“3; (7.3)
участок с искривлением
Т=Т.- ехр (цр), № (7.4)
где Т — тяжение на конце участка, кН;
Г,. — тяжение в начале участка, кН;
Ц — коэффициент трения;
w — масса кабеля, кг/м;
0 — угол наклона (берется со знаком плюс при направлении вверх
и минус — вниз), рад;
Р — угол поворота в горизонтальной плоскости, рад;
t — длина участка, м;
g = 9,81 м/с2 — ускорение свободного падения.
Пример. Рассчитать усилие тяжения при прокладке кабеля в ка-
бельной канализации для направления от А к G (рис. 7.17) при массе
кабеля 0,92 кГ/м в зависимости от коэффициента трения ц = 0,55 и
ц = 0,29.
В табл. 7.3 приведены коэффициенты увеличения сил тяжения в
зависимости от величины угла поворота трассы кабельной линии
(численные значения второго множителя формулы (7.4)). Из приве-
денных данных видно, что на повороте трассы происходит экспонен-
циальный рост усилий тяжения, например, при b = 1,57, И = 0,55
усилие тяжения на изгибе трассы возрастает в 2,37 раза. Если до
поворота сила тяжения составляет Т. = 1,46 кН, то за поворотом она
уже равна Т = Т. • 2,37 = 3,46 кН (точка В на трассе при тяжении
в направлении от А к G находится в начале трассы) и прирост усилий
тяжения ДТ= 3,46 - 1,46 = 2 кН.
Результаты расчета усилий тяжения на отдельных участках трассы
по формулам (7.1-7.4) и значения их итогов сведены в табл. 7.4. В
числителе данные соответствуют коэффициенту трения Р = 0,29, а в
208
Рис. 7.17. Трасса кабельной канализации:
а — искривления и повороты трассы в плане; б — вертикальные перепады
трассы кабельной канализации
Таблица 7.3. Увеличение усилий тяжения на изгибах трассы
в зависимости от угла поворота и коэффициента
трения
В
градус радиан Ц = 0,55 (1 = 0,29
90 1,57 2,37 1,58
45 0,79 1,55 1,26
30 0,52 1,34 1,16
9,7 0,17 1,10 1,05
знаменателе — Р = 0,55, и усилия тяжения, которые необходимо
приложить к концу кабеля, соответственно равны 3,80 и 12,66 кН.
Для того, чтобы оценить коэффициент увеличения усилий тяжения
за счет искривлений и перепада высот трассы кабельной линии, рас-
считаем требуемое усилие тяжения горизонтальной трассы той же
длины (L = 790 м) при прочих равных условиях:
Т= n. L W-g-10-3 = 0,55-790-0,92-9,81 -10"3 = 3,9 кН при ц = 0,55;
Т= n.LWglO~3 = 0,29-790-0,92-9,81-10~3 = 2,1 кН при ц = 0,29.
Коэффициент увеличения усилий тяжения (К) равен: К = 12,66:
3,9 = 3,25 раз при ц = 0,55 и К = 3,80 : 2,1 = 1,81 раза при ц = 0,29.
Отсюда видно, что искривления и перепад высот трассы кабельной
канализации в несколько раз увеличивают требуемую силу тяжения
209
Таблица 7.4. Приращение силы тяжения в пределах однородных
участков и мест поворотов и итоговая сила
тяжения при направлении тяжения от А к G
Участок, место поворота Длина, м Горизон- тальный участок, Наклонный участок Поворот Суммарное тяжение, кН
Тяжение, кН Наклон, рад Тяжение, кН Угол, рад Тяжение, кН
А-В 250 — 0,1 0,88^/ /4,46 — — 0,88//" 1,46
В — — — — 1,57 1,39/^ /^3,46 1,39^-/ 3,46
В-С 160 — 0,17 0,49/' /^1,03 — — 1,88/--" 4,49
С — — — — 0,17 — 1,97/—-— 4,94
C-D 100 0,26/'' /^0,5 — — — — 2,23/—— 5,44
D-E 20 0,05/^ 0,1 — — — — 2,28/-- 5,54
Е — — — — 0,79 2,87/^ ^-^8,59 2,87/—-— /'"'^ 8,59
E-F 60 0,16/'' ^-^0,3 — — — — 3,03/-" --''8,89
F — — — — 0,52 3,51/-^ /41,91 3,51 ,/— /11,91
F-G 200 — 0,13 0,29/--' -'''0,75 — — 3,80./-- ——'"12,66
или, другими словами, в несколько раз уменьшают длину прокладки
кабеля по сравнению с длиной прокладки по горизонтальной трассе.
Контрольные вопросы
1. Перечислите преимущества прокладки ОКС в пластмассовых тру-
бопроводах?
2. Какими соображениями необходимо руководствоваться при выбо-
ре формы внутренней и наружной поверхности пластмассового трубо-
провода?
3. В каких случаях на трассе трубопровода используются термоком-
пенсационные муфты и где они устанавливаются?
4. Способы прокладки трубопроводов и обозначения их трассы?
210
5. На каких участках и каким образом проверяется проходимость и
герметичность смонтированных трубопроводов?
6. Для чего и в каких местах трассы трубопровода устанавливаются
камеры?
7. Перечислите основные способы прокладки ОКС в трубопроводах и
факторы, влияющие на выбор способа для применения в конкретных
условиях?
8. Почему кабели в каналах кабельной канализации должны разме-
щаться в индивидуальных трубопроводах?
9. На каких участках трассы трубопровода наблюдается экспоненци-
альный прирост сил тяжения при прокладке ОКС способом тяжения за
конец кабеля?
10. Чем обусловлен выбор направления прокладки ОКС в трубопро-
воде при прокладке тяжением за конец кабеля и при прокладке в потоке
воздуха?
Глава 8
ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ
ЛИНИЙ СВЯЗИ
Измерения характеристик кабеля, в том числе оптических харак-
теристик ОВ, при строительстве преследует одну цель: обеспечить для
кабеля данной конструкции высокую однородность параметров пере-
дачи линии вне зависимости от времени.
Поэтому тестирование кабельных линий ведется на всех этапах
строительства, монтажа оборудования и эксплуатации ВОЛС.
Измерения линейно-кабельных сооружений проводятся на всех
этапах их создания. От традиционных измерений на кабелях с медны-
ми жилами они отличаются только тем, что лежат в очень высокой
области электромагнитного излучения (в оптическом диапазоне).
Поэтому измерять параметры элементов ВОЛС начинают в научно-
исследовательских лабораториях, разрабатывающих это оборудова-
ние (оптические волокна, кабельные конструкции, разъемы, соедини-
тели и т.п.). К линейно-кабельным сооружениям относят все элемен-
ты, включенные в тракт передачи от агрегатного блока передатчика до
агрегатного блока приемника на противоположном конце линии
(рис. 8.1). Эти элементы, включенные последовательно, определяют
передающие свойства линейного тракта ВОЛС. Измерению подлежат
параметры этих элементов, к которым относятся:
— оптические волокна в кабелях;
— места сварок в соединительных муфтах и панелях;
— механические соединители и шнуры;
— передающий блок с источником излучения;
— приемный блок с фотоприемником.
Основными параметрами, подлежащими измерению, являются:
— спектральная характеристика источника излучения;
— мощность излучения передатчика;
— ширина спектральной линии;
— стабильность механических соединений (повторяемость резуль-
татов, вносимых потерь и коэффициент обратного отражения);
212
1557 нм „
П№Р
£Х=1,8нт
1000 pS
t
Рис. 8.1. Обобщенная структура линейного тракта
— однородность волокон по затуханию и дисперсии;
— значение вносимого затухания при соединении строительных
длин;
— чувствительность приемника.
Результаты параметров и характеристики элементов линейного
тракта закладываются в принятые проектые решения и служат для
определения длины участка регенерации или длины усилительного
участка.
8.1. Методы и средства измерения
оптических характеристик ВОЛС
8.1.1. Измерение основных параметров ВОЛС
Несмотря на существенные отличия принципов работы как систем
ВОЛС, так и отдельных их узлов и компонентов от обычных кабель-
ных систем с применением металлических кабелей, а также на спе-
цифику метрологического обеспечения ВОСП (волоконно-оптических
систем передачи), общими для традиционных кабельных систем и для
ВОСП остаются основные параметры, подлежащие измерению:
— мощность сигнала, вводимого в линию, дБм.
— затухание сигнала в линии, дБ.
— длина волны (мкм или нм) или частота несущего электромаг-
нитного излучения (Гц или ТГц).
— дисперсия (расширение) импульса в тракте, пс.
213
— чувствительность системы передачи (дБм) при заданном коэф-
фициенте ошибок.
Для современных ВОСП существуют оптические параметры, не
присущие системам передачи по электрическому кабелю:
— ширина спектральной линии оптического излучения, нм.
— поляризационная модовая дисперсия, пс.км.
— комбинационное рассеяние, %
8.1.2. Измерение оптической мощности, затухания
и вносимых потерь
Оптическая мощность измеряется в следующих точках волокон-
но-оптической линии: на передающем пункте (точка S) — выходе
оптического передающего модуля (блока), то есть на оптическом
интерфейсе передатчика — оптическом разъеме (чаще всего типа FC
или PC) — и на входе оптического приемного блока, то есть выходе
оптического разъема, которым оконцовано соответствующее волокно
оптического кабеля на выходе линии (точка R) (рис. 8.1). Для изме-
рения оптической мощности, как правило, используются приборы,
приведенные в табл. 8.1.
Методы измерения затухания. Измерение затухания осуществ-
ляется на всех стадиях производства оптического кабеля, строитель-
ства и эксплуатации ВОЛС. Измеряют коэффициент затухания опти-
ческого кабеля, затухание строительных длин, затухание смонти-
рованного участка регенерации, затухание соединений ОВ.
На этапе строительства и монтажа ВОЛС в целях контроля каче-
ства измеряют следующие параметры: затухание ОВ на строительных
длинах и смонтированных участках регенерации; затухание, вносимое
соединениями ОВ.
Затухание сигнала в линии между точками 7 и 2 (рис. 8.2) на-
правляющей системы определяют по методу измерения вносимых
потерь
al = Р{-Р2,
где а — километрический коэффициент затухания линии,
/ — длина линии;
рх, р2 — уровни оптического сигнала, измеренные в точках 7 и 2 соот-
ветственно, дБм.
При вводе излучения в ОВ кабеля всегда имеется некоторая нео-
пределенность введенного уровня измерительного сигнала. Условия
ввода зависят от качества обработки входного торца ОВ, точности
214
Таблица 8.1. Характеристики оптической мощности
Производи- тель FOD (Россия) ЛОНИИР Wavetek W andel& Qoltermam Hewlett Packard Simens ANDO GN Nettest
Модель FOD1202 FOD1204 FOD1204H “Алмаз-21" OLP-16B(a) OLP-18B (6) HPE5970A K2701(a) K2410(6) AQ2150 мульти- метр LP-5025 LP5025C
Длина волны калибровки, нм 850,1300 1550 850,980, 1300,1480, 1550 850,980, 1300,1480, 1550 850,1310 1550 800-1700 от 800 до 1600(850, 1300,1310, 1550) 850,1300, 1310,1550; 850,1300, 1550 750-1700 820,830, 840,850, 860,870; 980,1244, 1300,1310, 1330,1480, 1510,1550, 1620
Измеряемая оптическая мощность, МВт или дБм +3 + -60 +7 + -73 +23 +-53 + 3 +-60 + 15 +-80(a) +26 +-60(6) +11 +-70 +3 +-70(a) +20 +-60(6) -10 +-80 + 10 +-70 +20 +-60
Уровень шу- ма фото- приемника, дБм -75 -75 -75 -80 -75 -75 -75 -75 -75
Относитель- ная ±0,25 ±0,15 ±0,15 ±0,2 ±0,29(a) ±0,25(6) ±5% ±0,5 nw 0,2 (a) 0,25(6) 5% 0,01 дБ 0,01%
Тип волокна от 9/125 до 62,5/125 мкм от 9/125 до 50/125 мкм от 9/125 до 100/140 мкм от 9/125 до 62,5/125 мкм от 9/125 до 50/125мкм
Тип фото- детектора InGaAs InGaAs InGaAs InP/GalnAsP InGaAs InQaAs InGaAs (a) Ge(6) InGaAs InGaAs
Габариты,мм 147х74х 147x74x23 147x74x23 200x100x40 185x95x49 195x95x49 150x85x40 205x85x43 191x89x38
Вес, г 220 250 250 280 500 500 500 4SO 657
Рабочий ди- апазон тем- пературке 0 + +50 -10 + +55 -10 ++55 -10 ++45 -10 ++55 -10 + + 55 -18 ++50 0 ++50 -10 ++50
юстировки подключаемых измерительных шнуров к излучателям и
измерителям оптической мощности, основные характеристики кото-
рых приведены в табл. 8.1.
Из известных методов сравнения, предназначенных для измерения
затухания, при производстве кабеля используют метод обрыва, кото-
рый является более точным, чем метод измерения вносимого затуха-
ния, используемый в основном в процессе строительства и эксплу-
атации ВОЛС.
Метод обрыва для измерения затухания ОВ рекомендуется МЭК
(Стандарт 793-1-С 1). Метод отличается достаточно высокой точнос-
тью и рекомендуется к применению для коротких ОВ или линий. Им
можно выполнять измерения в пределах до 10 дБ с абсолютной по-
грешностью не более 0,03 дБм. Метод обрыва относится к группе
методов разрушающего контроля и часто применяется во время вход-
ного контроля оптического кабеля. В процессе его реализации ОВ тем
или иным способом армируют наконечником, подключают к источни-
ку и фиксируют измерителем уровень выходного сигнала на другом
конце кабеля. Затем на передающем конце отрезают фрагмент волок-
на длиной 1...1.5 м, скалывают его конец и с помощью адаптера на
обнаженном волокне замеряют уровень сигнала, который принимает-
ся за входной уровень. Разность полученных значений дает искомое
затухание. Для увеличения точности рекомендуется повторить изме-
рения несколько раз, а за уровень входного сигнала принять среднее
из измеренных значений.
216
Основной недостаток метода обрыва — при каждом измерении
теряется 1...1,5 м волокна, так как приходится обрезать концы ОВ, и
более высокая трудоемкость измерений. Схема измерения представ-
лена на рис. 8.3.
Оптическими вносимыми потерями (ГОСТ 26599-85) называют
отношение суммарной мощности оптического излучения на входных
оптических полюсах компонента ВОСП к суммарной мощности опти-
ческого излучения на выходных полюсах компонента ВОСП, выра-
женное в децибелах. Соответственно при измерении вносимого зату-
хания определяют разность уровней мощности, воспринимаемой
приемником излучения при его непосредственном подключении к
источнику излучения, и мощности, поступающей на приемник при
его включении на выходе измеряемого волокна через измерительные
шнуры.
Схема измерения вносимого затухания представлена на рис. 8.4.
Затухание линии определяется как разность уровней:
а -р-р
вн *вх г вых
Погрешность данного метода выше, чем метода обрыва, однако
она вполне приемлема для паспортизации регенерационных участков.
Рис. 8.3. Измерение затухания методом обрыва
217
Рис. 8.4. Измерение затухания методом вносимых потерь
8.1.3. Тенденции развития методов и средств
измерения ВОЛС
Измерение оптического спектра излучения и ширины спектраль-
ной линии для систем передачи с высокими скоростями (2,5 Гб/с и
выше). Необходимым является измерение спектральных характерис-
тик, длины волны, и ее спектральной ширины. Реже используются
измерения других параметров, но в данном пособии они не рассмат-
риваются. Для WDM технологии будут рассмотрены методы измере-
ния оптического спектра.
Измерение оптического спектра представляет собой измерение оп-
тической мощности в зависимости от длины волны и в связи с раз-
вивающимися технологиями WDM-уплотнения становится одним из
важнейших видов измерений в высокоскоростных волоконно-опти-
ческих системах передачи. Необходимость измерения оптического
спектра вызвана также возникающей в волокне и определяемой ши-
риной спектра источника излучения хроматической дисперсией, кото-
рая, как было показано выше, проявляется в увеличении длительно-
218
сти передаваемого импульса по мере его распространения по опти-
ческому волокну, что ограничивает ширину полосы пропускания вы-
сокоскоростных линий связи.
На рис. 8.5 представлена обобщенная схема анализатора оптичес-
кого спектра, согласно которой входной сигнал в виде исследуемого
оптического излучения поступает через оптическую систему на фото-
приемник, а затем после аналого-цифрового преобразования — на
систему управления оптической системы, обработки данных и ото-
бражения результатов анализа. Функции данной системы, как прави-
ло, выполняет компьютер, причем алгоритмы управления и обработки
данных определяются оптической системой OSA.
Рис. 8.5. Схема оптического анализатора спектра
Рассмотрим примеры использования современных анали-
заторов спектра для измерения параметров в ВОЛС.
Длина волны и спектральная полоса оптического излучения. Важ-
ным классом измерительного оборудования являются приборы для
измерений длины волны и ширины спектральной линии оптического
излучения — анализаторы спектра оптического излучения. Современ-
ные анализаторы спектра, выпускаемые несколькими компаниями, в
том числе и отечественные имеют примерно одинаковые техничес-
кие характеристики. На примере спектрального анализатора фирмы
EXFO приведена методика измерения спектральных характеристик
(рис. 8.6).
Измерение дисперсии, обусловленной поляризационной модой.
Возникновение дифференциальной групповой задержки обыч-
но вызывает ряд искажений информационного сигнала, вклю-
чая увеличение длительности импульса. В этом отношении
влияние PMD сходно с влиянием хроматической дисперсии,
но есть и существенное
219
Рис. 8.6. Измерение спектральных характеристик
различие. Так, хроматическая дисперсия представляет собой относи-
тельно стабильное явление, позволяющее определить ее влияние на
систему передачи путем сложения дисперсии отдельных участков
линии передачи и, как следствие, может быть скомпенсирована соот-
ветствующим расположением компенсаторов. В отличие от хромати-
ческой дисперсии, PMD на любой длине волны сигнала одномодо-
вого оптического волокна не является стабильной, что, естественно,
требует проведения статистической оценки и не позволяет осуще-
ствить пассивную компенсацию ее влияния. Таким образом, PMD
является фундаментальной характеристикой одномодовых волоконно-
оптических компонентов, в которых энергия сигнала одной длины
волны делится на две ортогонально поляризованные моды, распрос-
траняющиеся с различной скоростью.
Как показали исследования, PMD оказывает весьма существен-
ное влияние на высокоскоростные системы передачи, в связи с чем
становится актуальным вопрос ее коррекции на линиях связи. Так, в
промышленных оптических кабелях коэффициент PMD, как правило,
не превышает 0,5 пс/км, что ограничивает полосу частот передачи
220
значением 40 ГГц на 100 км. Кабели, установленные несколько лет
назад, использующие волокно со сплющенной оболочкой, часто
обладают более высоким PMD, что делает проблематичным переход
к более высоким битовым скоростям. Кроме того, PMD может ока-
зывать влияние на функционирование аналоговых волоконно-опти-
ческих систем, в том числе систем кабельного телевидения с высо-
кой четкостью.
Временной метод измерения PMD, к которому относится интер-
ферометрический метод измерения PMD, основан на измерении ав-
токорреляции электрического поля световой волны или взаимной ко-
герентности двух сигналов, излучаемых одним широкополосным
источником. Метод основан на прямом измерении временной задер-
жки. На рис. 8.7 показана обобщенная схема измерения PMD на
основе интерферометра Майкельсона с установленным на выходе ис-
точника оптического излучения поляризатором и анализатором — на
входе фотодиода. Свет от широкополосного LED или источника бе-
лого света направляется в оба канала интерферометра, а свет от пе-
ремещающегося и фиксированного зеркал накладывается в плоско-
сти детектора. Взаимное влияние возникает, когда длина двух
ответвлений различается на величину, меньшую когерентной длины
источника, а максимальная видимость имеет место, когда длины ка-
налов идентичны. При этом ширина отклика обратно пропорциональна
ширине спектра источника, а амплитуда огибающей фототока являет-
ся функцией временной задержки, создаваемой движущимся зерка-
лом и определяемой выражением
т = 1Шс ,
где ЛЬ — расстояние от зеркала до той точки, в которой оба канала
имеют равную длину.
В рассматриваемой схеме лучи интерферометра ортогонально
поляризованы, а перемещение зеркала создает задержку между
ними, в то время как анализатор обеспечивает взаимное объедине-
ние выходных собственных мод тестируемого устройства на фото-
диоде.
Интерферометрический метод применим к оптическим компонен-
там как с вырожденными модами, так и к оптическому волокну со
связанными модами, где основные состояния поляризации являются
функциями длины волны, причем получаемые в результате измерения
интерферограммы имеют существенные различия. На рис. 8.7 при-
ведена схема измерений, а на рис. 8.8 — типичная осциллограмма
221
Рис. 8.7. Измерение ПМД
222
Рис. 8 8. Осциллограмма измерений ПМД, полученная с FTB-300
измерений коэффициента PMD. В данной методике использована ап-
паратура компании GN Nettest PMD-440.
Измерение комбинационного рассеивания, обусловленного меха-
ническим водействием на ОВ. В процессе строительства волоконно-
оптических линий связи (ВОЛС) появляются задачи, от правильного
решения которых зависит надежность и долговечность сетей. Исполь-
зование новых технологий и оптических кабелей (ОК) требует посто-
янной проверки качества строительства.
При прокладке первых волоконно-оптических кабелей (ВОК) на
сетях связи использовались измерители мощности оптического излу-
чения. Однако при массовом строительстве ВОЛС возможности этих
приборов оказались недостаточными. Появились новые унифициро-
ванные приборы — оптические рефлектометры, позволяющие опреде-
лять затухание по длине волокна путем анализа рассеянного назад
излучения. В настоящее время, когда в эксплуатации находятся десят-
ки тысяч километров ВОЛС, особую актуальность приобретает обес-
печение их многолетней надежности. Самым эффективным методом,
223
на котором базируются современные средства измерения параметров
для определения надежности ОК, является метод комбинационного
рассеяния (бриллюэновское рассеяние). На его основе созданы
бриллюэновские рефлектометры (Brillouin Optical Time Domian
Reflectometer), позволяющие не только измерять параметры оптичес-
ких волокон ОВ), но и после специальной математической обработки
результатов прогнозировать их механические параметры, в том числе
предсказывать обрывы.
Волоконно-оптические кабели рассчитаны на эксплуатацию в тече-
ние 25 лет, причем весь этот срок ОВ должны сохранять свои свой-
ства неизменными. Основное условие — отсутствие механических
напряжений в волокнах, уложенных в кабель. Срок службы ОВ оп-
ределяется процессом роста в них микроскопических трещин. Если
волокно подвержено натяжению, то трещина начинает лавинообразно
расти и ОВ разрывается.
На рис. 8.9 показан характер зависимости срока службы волокна
от его натяжения, выраженного в единицах продольного удлинения.
График построен по типичным данным для стандартного одномодово-
го волокна, изготовленного в соответствии с рекомендациями
МСЭ-Т G. 652. Левая кривая соответствует длине волокна
10 тыс. км, а правая — 1 км, между ними располагаются практичес-
ки все варианты длин волокон в линиях связи. Можно выделить три
диапазона натяжения: безопасный, характеризующийся относительным
удлинением до 0,3%; недопустимый — удлинение более 0,6%; про-
О 0,! 0.2 03 «4 0,5 06 07 06 0,9 1
Удлинение волокна, %
Рис. 8.9. Характер
зависимости срока службы
волокна от его натяжения
I
I
межуточный — лежащий в диапазоне
указанных значений и требующий до-
полнительного анализа. Незначитель-
ное увеличение натяжения волокна
может привести к многократному
уменьшению срока его службы. По-
этому надежность ВОЛС нельзя оце-
нить, не имея достоверной информа-
ции о натяжении всех волокон в
проложенном кабеле.
Рассмотрим принципы, лежащие в
основе методики измерения.
Известно, что при распространении
вдоль волокна оптического излучения
происходит его рассеяние на оптичес-
ких неоднородностях. Большая часть
224
светового потока рассеивается на микроскопических изменениях
плотности плавленого кварцевого стекла — рэлеевское рассеяние. На
его регистрации и обработке основан принцип действия обычных реф-
лектометров, нашедших широкое применение.
Другой вид неоднородностей в волокне обусловлен тепловыми
колебаниями атомов. Подобно инфракрасному тепловому электромаг-
нитному излучению, в стеклах ОВ всегда присутствуют гиперзвуко-
вые волны. Рассеяние света на подвижных неоднородностях показа-
теля преломления, вызванных этими волнами, называется бриллю-
эновским рассеянием.
Главное его отличие от рэлеевского рассеяния — подвижность
неоднородностей. Поэтому из-за эффекта Доплера оптическая частота
рассеянного сигнала будет отличаться от частоты лазера и, как след-
ствие, от частоты рэлеевского рассеяния. Бриллюэновский сдвиг
частот Ду Б пропорционален скорости звука и зависит от натяжения
волокна, подобно тому как натяжение струны меняет тон ее звучания.
Измерив распределение величины Б вдоль волокна, можно восстано-
вить картину распределения напряжений в нем. То есть, если совме-
стить в одном приборе возможности рефлектометра и спектрального
анализатора, то им можно будет измерять натяжения в волокнах.
В первых образцах подобных приборов регистрация бриллюэнов-
ского рассеяния предполагала необходимость доступа к обоим кон-
цам ВОЛС. Достижения в области оптического усиления и акусти-
ческой модуляции позволили разработчикам японской фирмы Ando
создать мобильный прибор — AQ8602, который позволяет тестиро-
вать волокно с одной стороны. Внешне этот прибор похож на обыч-
ный рефлектометр, его динамический диапазон чувствительности
достигает 30 дБ, а пространственное разрешение — 2 м.
Бриллюэновский рефлектометр AQ8602 работает следующим об-
разом: излучение лазера, работающего на длине волны Л = 1,55 мкм
и стабилизированного по частоте, проходит через частотосдвигатель,
где приобретает сдвиг частоты AvK. Частотосдвигатель также выпол-
няет функцию амплитудного модулятора излучения и в волокно вво-
дится импульс необходимой длительности.
Появившийся сигнал бриллюэновского рассеяния, сдвинутый по
частоте на дополнительную величину Ду Б, возвращается на фотоде-
тектор, на который попадает и идущий непосредственно от лазера
опорный гетеродинный сигнал. В результате на фотодетекторе проис-
ходят биения с разностной частотой Av-AvK, что позволяет одновре-
менно с рефлектограммой регистрировать натяжение волокна. Напри-
225
мер, если сдвиг в частотосдвигателе соответствует бриллюэновскому
сдвигу частоты в волокне без напряжений, то прибор фиксирует
обычную рефлектограмму, а при наличии локального растяжения во-
локна — провал, вызванный расстройкой гетеродина.
Программное обеспечение рефлектометра позволяет восстановить
распределение напряжения вдоль волокна по следующему алгоритму.
Сначала измеряется набор рефлектограмм при различных сдвигах
частоты Jv. Затем определяется положение максимума кривой рассе-
ивания для каждой длины волокна, которое и соответствует бриллю-
эновскому сдвигу частоты ДиБ. Далее компьютер по сдвигу частоты
рассчитывает натяжение волокна. Коэффициент пропорциональности
зависит от температуры, волокна и показателя преломления, эти дан-
ные должны быть введены в программу заранее. Типичное значение
коэффициента пропорциональности составляет порядка одного про-
цента удлинения волокна на 500 МГц сдвига частоты.
Точность относительных измерений в бриллюэновской рефлекто-
метрии, как и в обычной, выше точности абсолютных измерений.
Поэтому измеряемую линию целесообразно пристыковать к дополни-
тельной катушке со свободно уложенным волокном с нормирован-
ными параметрами.
8.2. Приемо-сдаточные измерения
и составление паспорта ВОЛС
Приемка от генерального подрядчика смонтированного и настроен-
ного оборудования ВОСП производится в соответствии с требованиями,
изложенными в строительных нормах и правилах. Приемку осуществля-
ет рабочая комиссия, в которую входят: заказчик (председатель комис-
сии), генеральный подрядчик, субподрядные организации, представите-
ли других заинтересованных организаций (по решению заказчика).
Рабочая комиссия проверяет и оценивает качество произведенных
работ в натуре, а также протоколы электрических измерений, испы-
таний и настройки оборудования, оформленные подрядчиком по ре-
зультатам дополнительных испытаний и измерений, выполненных
выборочно в объеме 20% от общего количества.
Объем выборочных измерений может изменяться приемной ко-
миссией. Если при выборочных измерениях хотя бы один из парамет-
ров не соответствует норме, производится 100%-ная проверка.
Генеральный подрядчик обязан представить рабочей комиссии
следующую документацию:
226
— комплект рабочих чертежей в объеме, полученном от заказчи-
ка, с подписями о соответствии выполненных в натуре работ этим
чертежам или о внесении в них изменений, сделанных лицами, ответ-
ственными за производство строительно-монтажных работ;
— акты на скрытые работы, подписанные представителями заказ-
чика;
— приемо-сдаточную ведомость на смонтированное оборудова-
ние;
— протоколы электрической проверки оборудования.
Результаты осмотров, проверок и испытаний на выполненные рабо-
ты оформляются протоколами, которые рассматриваются и утвержда-
ются организацией, назначившей рабочую комиссию. Повреждения,
обнаруженные на отдельных частях оборудования, должны быть устра-
нены сдатчиком за время работы комиссии без нарушения плана ее
работы. После этого оборудование вновь предъявляется для проверки.
Вышедшие из строя в процессе приемки электрорадиоэлементы не яв-
ляются дефектом строительства. После работы составляются акты. Пос-
ле утверждения акта сданные сооружения считаются переданными на
ответственное хранение и техническое обслуживание.
Исполнительная документация о законченных линейных соору-
жениях. На каждую магистральную и внутризоновую линию переда-
чи, находящуюся в эксплуатации или принимаемую в эксплуатацию,
должны быть составлены линейные паспорта в соответствии с требо-
ваниями нормативно-технической документации.
Линейный паспорт является техническим документом, характери-
зующим состав и конструкцию линейных сооружений, находящихся
в ведении дистанции сигнализации связи (ШЧ).
Наличие качественных паспортов линейных трактов во многом
способствует их нормальной технической эксплуатации.
Паспортизация линейного тракта будет полной, если будут состав-
лены три вида паспортов: линейный; электрический на линейный тракт;
электрический на канал служебной связи.
Линейные паспорта воздушных и кабельных линий дают полное
представление о линейных сооружениях. Линейный паспорт состав-
ляет организация, осуществляющая строительство или реконструк-
цию линии. Если при этом паспорт не был составлен или был состав-
лен некачественно, его составляет эксплуатационный персонал, в
чьем ведении находится линия.
Во время очередного ремонта линии, а также при каждом измене-
нии в устройстве линии в линейный паспорт вносят соответствующие
227
исправления. Все изменения в документах линейного паспорта заве-
ряются подписями лиц, внесших изменения, с указанием даты.
Паспорт на ЛТ составляют при вводе тракта в эксплуатацию
для реконструкции линии, связанной с заменой устаревшей аппарату-
ры. Паспорта подлежат уточнению и переутверждению в процессе
эксплуатации при: изменении трассы линии, включении кабель-
ных вставок, изменении типа линейного кабеля, организации или
ликвидации обслуживаемых и необслуживаемых пунктов, устране-
нии отступления от норм, а также изменении схемы организации
трактов.
Уточнение или составление новых паспортов должно осуществ-
ляться во время очередных профилактических измерений или в спе-
циально отведенное время.
Паспорта на вновь строящиеся ЛТ составляет строительная орга-
низация; на действующие тракты при необходимости проведения по-
вторной паспортизации паспорта составляют работники эксплуатации.
Паспорта на ЛТ утверждаются для систем передачи дороги —
начальником службы информатизации и связи (НИС) дороги.
8.3. Система дистанционного контроля
ВОЛС
Интенсивное развитие волоконно-оптических телекоммуникацион-
ных сетей и необходимость обеспечения их безотказной работы выд-
вигают на первый план задачу централизованного документирования
и контроль сетевого кабельного хозяйства с возможностью прогно-
зирования и минимизации времени устранения неисправностей,
возникающих в волоконно-оптических линиях связи. Наиболее эф-
фективно данная задача может быть решена с помощью автоматизи-
рованной системы администрирования волоконно-оптических кабе-
лей, представляющей собой систему дистанционного контроля
оптических волокон, программу привязки топологии сети ВОЛС к
географической карте местности, а также базы данных оптических
компонентов, критериев и результатов контроля. При этом дистан-
ционный контроль оптических волокон выполняется с помощью
оптических импульсных рефлектометров (Optical Time Domain
Reflectometer — OTDR) осуществляющих диагностирование волокон
по обратному рассеиванию световой волны, распространяющейся в
пассивном или активном волокне оптического кабеля. На рис. 8.10
изображена функциональная схема сети дистанционного контроля. В
228
верхней части рисунка представлена схема тестирования с использо-
ванием активного волокна. Рабочие длины волн систем передачи 1310
и 1550 нм, длина волны тестирования — 1625 нм. В нижней части
рисунка для тестирования используются резервные волокна.
Эта система позволяет диагностировать нарушения оптических
кабелей обоими указанными методами и отличается от иных систем
использованием в ней оптического рефлектометра с наивысшим раз-
решением и динамическим диапазоном, равным 45 дБ.
Система дистанционного контроля обеспечивает установление ме-
ста неисправности волоконно-оптического кабеля и генерирование
сигнала тревоги в течение пяти минут при 10 с на одно волокно. В
то же время, специальные методы обнаружения нарушений позволяют
проводить тест 20 оптических волокон длиной 150 км и больше менее
чем за 12 мин. При этом благодаря расширенному диапазону режима
контроля оптических волокон, система позволяет обнаружить нару-
шения кабелей на расстоянии до 300 км, что недостижимо при ис-
пользовании любого существующего OTDR.
Основу архитектуры данной системы составляют:
— устройство управления системы тестирования;
229
— устройства удаленного тестирования оптических волокон;
— устройства доступа тестирования оптических волокон.
На рис. 8.10 представлен пример системы Orion с двумя устрой-
ствами удаленного тестирования и одним устройством управления (в
центре рисунка).
8.4. Измерение затухания оптическими
тестерами
Затухание оптического волокна измеряется с помощью источника
излучения и ваттметра (тестера). Свет от источника вводится в волок-
но и измеряется уровень оптической мощности (дБм) на ближнем и
дальнем концах волокна. Разность между двумя измеренными таким
образом уровнями мощности определяет затухание волокна (дБ).
Существуют три метода измерения затухания (ITU-T G. 650). Наи-
более широко используемым является метод вносимых потерь, обес-
печивающий достаточную точность. Рис. 8.11 иллюстрирует принцип
метода вносимых потерь.
При измерениях методом вносимых потерь сначала измеряется
оптическая мощность на выходе оптического поводка (эталонное
волокно). Этот уровень мощности обозначен на рис. 8.11./?, (дБм).
Затем измеряемое волокно подключается между эталонным волокном
и ваттметром и измеряется уровень мощности р2 (дБм) на его выходе.
Затухание волокна определяется как разность между этими двумя
уровнями мощности:
A =Pj-p2 (дБ).
Рис. 8.11. Методика измерения вносимых потерь
230
Вместе с источником излучения и ваттметром следует приобрести
эталонные волокна. Важно также знать уровень мощности на выходе
источника излучения, уровень мощности, вводимой в волокно, и
чувствительность ваттметра.
8.4.1. Методы измерения затухания
Наиболее часто измерение затухания производится по методу вноси-
мого затухания. Под вносимым затуханием понимается разность
уровней оптической мощности на входе приемника при непосредствен-
ном подключении к источнику и через измеряемый объект. Метод от-
носится к группе методов «точка-точка», согласно которым измери-
тель и источник размещаются по разным сторонам тестируемого
объекта. Достоинством метода является учет и исключение из резуль-
татов измерения потерь мощности на входе и выходе измеряемого
объекта, недостатком — необходимость обеспечения примерного ра-
венства этих потерь при проведении калибровки и в рабочем режиме.
Измерения осуществляются по схеме рис. 8.11 с записью опорно-
го значения в ЗУ приемника. После завершения процедуры записи
приемник автоматически переключается в режим измерения отно-
сительной мощности. Затем выполняется определение затухания
(рис. 8.11.), значение которого считывается прямо с индикатора при-
емника. Обязательным условием проведения измерений является ис-
пользование для соединения тестовых шнуров и контролируемого ка-
беля высококачественных розеток разъемных соединителей, входя-
щих в комплект тестера. Одновременно наличие тестовых шнуров
позволяет добиться достаточно эффективного подавления паразитных
излучаемых и вытекающих мод, что увеличивает точность получае-
мого результата.
Для увеличения точности измерений рекомендуется производить
их в двух направлениях с усреднением полученных результатов.
Анализ рис. 8.11 показывает, что процесс измерений требует вве-
дения в тракт распространения оптического сигнала дополнительных
разъемов, вилки которых вставляются в розетки. В связи с ограни-
ченной повторяемостью потерь соединителя (обычно ±0,1-0,15 дБ)
при низких значениях затухания нельзя гарантировать достоверность
полученного значения затухания. Поэтому при показаниях прибора
1 дБ и менее в протоколах измерений можно указывать «<1 дБ». Этот
случай является типичным при измерениях затухания многомодовых
оптических соединительных шнуров, и в их паспортах в графе «по-
тери» часто приводится «<1 дБ».
231
В некоторых случаях используется метод прямого измерения.
Согласно этому методу, измеряют абсолютный уровень оптического
сигнала на выходе источника излучения и на выходе тестируемого
элемента (линии). Разность измеренных уровней дает величину зату-
хания. Реализация этого метода требует предварительной калибровки
приборов и соединительных шнуров. Метод дает хорошие результаты
при значительных величинах измеряемого затухания. Он применяется
на трассах большой протяженности, когда процесс предварительной
калибровки приемника, необходимый для реализации метода вноси-
мого затухания, становится невозможным или выполняется с боль-
шими сложностями.
8.4.2. Конструктивные особенности оптических
тестеров
Оптические тестеры, или измерители оптических потерь, предназ-
начены для измерения среднего уровня мощности оптического излу-
чения на рабочих длинах волн волоконно-оптических линий связи
(850, 1300 и 1550 нм) и определения затухания сигнала в кабелях и
отдельных компонентах линии. Тестеры применяются во время стро-
ительства, монтажа и эксплуатационного обслуживания линий воло-
конно-оптической связи, а также в процессе профилактических про-
верок и настроечных работ на сетевом оборудовании с воло-
конно-оптическими портами табл. 8.2.
Таблица 8.2. Основные технические характеристики оптических
тестеров
Характеристика ОТУ-94 AQ4250(085) +AQ2752 Fiber Solution Kit ГОТ-02
Оптроник, Россия ANDO, Япония Microtest, США ExFO, Канада
Рабочие длины 0,85,1,3, 1,55 0,85 0,85, 1,3 0,85,1.3,1,55
Динамический диапазон измерения уровня мощности, дБ -50... +3 -80... +10 -55 ...+3 -50... +6
Частота модуляции излучения, Гц 270 — 0,2000 —
Погрешность измерения 10% 5% 0,02 дБ 6%
Рабочая температура, °C -10...+50 0...+50 0...+50 -10...+50
232
Тестеры могут работать как с многомодовыми, так и с одномодо-
выми ОВ и комплектуются одним или несколькими сменными адап-
терами для подключения к вилкам разъемов различных типов.
В состав оптического тестера входят два основных прибора: изме-
ритель оптической мощности и источник излучения.
Измерители оптической мощности (optical power meter — ОРМ)
применяются для измерения мощности оптического сигнала и опре-
деления затухания сигнала в линиях и каналах, а также отдельных
элементах оптической кабельной системы. В состав конструкции из-
мерителя входят фотодиод (обычно германиевый или со структурой
InGaAs) с усилителем фототока, сигнальный процессор и цифровой
дисплей. Падающий на окно фотодиода световой поток преобразуется
последним в электрический ток, который обрабатывается сигнальным
процессором. Результат обработки в подавляющем большинстве слу-
чаев выводится на цифровой индикатор. В функции сигнального про-
цессора входит также компенсация нелинейности амплитудной и не-
равномерности спектральной характеристик фотодиода, преобразова-
ние входного аналогового сигнала в выходной цифровой, подавление
флуктуаций за счет накопления нескольких отсчетов и выдача управ-
ляющего сигнала на индикатор. При включении измерителя процес-
сор выполняет комплекс проверок исправности отдельных электрон-
ных узлов. Измерители обычно калибруются на нескольких фик-
сированных длинах волн, значения которых выводятся на индикатор.
Стабилизированные источники излучения (Stabilized Light Sourse —
SLS) служат для подачи в контролируемый волоконно-оптический эле-
мент оптического сигнала заданной мощности и длины волны. Посто-
янство выходной мощности такого источника поддерживается за счет
регулировки прямого тока излучателя по сигналу рассогласования ис-
точника опорного напряжения и фотоприемника цепи обратной связи.
Источники делятся на светодиодные и лазерные. Лазерные многовол-
новые источники проигрывают светодиодным по стоимости и стабиль-
ности характеристик, однако существенно более удобны в работе за
счет наличия только одного соединителя. Для подачи на него сигналов
с различных источников использован внутренний оптический разветви-
тель. Данное устройство в светодиодных моделях используется срав-
нительно редко из соображений минимизации стоимости прибора.
Многие модели источников высокоточных оптических тестеров
могут работать в режиме модуляции интенсивности выходного сигна-
ла с частотой, равной или близкой 2 кГц. Использование таких сиг-
налов позволяет исключить влияние на точность измерений посторон-
233
них засветок в оптическом диапазоне и низкочастотных шумов в
электрическом тракте. Не исключается возможность увеличения чув-
ствительности приемника за счет применения резонансных усилите-
лей и синхронных детекторов. Некоторые типы измерителей оптичес-
кой мощности высвечивают на экране частоту модуляции принима-
емого сигнала или отмечают поступление такого сигнала акустичес-
ким извещателем. На практике промодулированный с определенной
частотой оптический сигнал используется также при работе идентифи-
катора активных волокон.
Некоторые типы тестеров имеют скомбинированные в одном кор-
пусе и согласованные по оптическим характеристикам излучатель и
фотоприемник и иногда называются интегрированными измерителями
или анализаторами затухания оптического кабеля. Такая конструкция
позволяет уменьшить время измерения в том случае, если два опера-
тора на разных концах кабельной трассы имеют одинаковые приборы.
Для Питания многомодовых оптических тестеров обычно исполь-
зуются NiCd-аккумуляторы или гальванические элементы. Лазерные
источники излучения с большим энергопотреблением часто снабжа-
ются адаптером сетевого питания.
Для увеличения гибкости и уменьшения разовых финансовых зат-
рат пользователей некоторые фирмы предлагают отдельные специали-
зированные модели оптических источников и измерителей, рассчи-
танных на одну рабочую длину волны. В зависимости от конкретных
потребностей пользователь имеет возможность приобрести светоди-
одную (очень дешевую) или лазерную модель излучателя и приемник
с различной точностью и динамическим диапазоном измерения опти-
ческой мощности. Следует помнить, что светодиодная модель имеет
на 20-30 дБ меньший динамический диапазон измерения уровня
мощности.
8.5. Рефлектометрические измерения
параметров ВОЛС
Для лучшего понимания методики рефлектометрических измере-
ний необходимо обратиться к некоторым физическим явлениям, ле-
жащим в основе распространения импульсного сигнала оптического
диапазона в диэлектрическом волноводе.
Первое явление, являющееся основой радиолокации, было замече-
но Поповым А.С. еще в 1897 г. Проводя опыты с короткими элект-
ромагнитными волнами он обратил внимание на отражение радиоволн
234
корпусом корабля. Первые работы в области радиолокации были на-
чаты в 1932 г. под руководством Ю.А. Коровина. А через 7 лет
сотрудниками Ю.Б. Кобзарева была построена первая в СССР ра-
диолокационная установка. Эти установки (радиолокаторы) позволя-
ли обнаруживать летающие цели и определять расстояния до них.
Расстояние между двумя импульсами на экране осциллографа радио-
локатора (рис. 8.12) в определенном и заранее известном масштабе
изображает время 2г между моментом посылки сигнала и моментом
прихода отраженного сигнала (t — время распространения сигнала в
одну сторону). Так как скорость распространения радиоволн извес-
тна (Игр = 299800 км/с), то расстояние между двумя импульсами на
экране осциллографа можно градуировать прямо в км.
Основным элементом радиолокационного устройства, которое в
значительной степени определило ускоренное развитие этого направ-
ления, является электронно-лучевая трубка. С помощью электронно-
лучевой трубки появилась возможность наблюдать интенсивность
направляемого на летящую цель локационного импульса и интенсив-
ность отраженного от цели импульса.
Расстояние до цели определялось из условия знания скорости
электромагнитного импульса (299.8 м/мкс) и времени распростране-
ния импульса туда и обратно. Точно такие же приборы, но меньшего
размера, стали использовать для определения длины электрических
кабелей (в том числе и кабелей связи). Практически, эти приборы
были похожи на осциллографы, но имели в выходной части диффе-
ренциальную систему, выполняющую функцию подачи зондирующе-
го импульса в электрическую цепь и приема эха (отраженного от
Рис. 8.12. Осциллограмма для определения расстояния до цели
235
неоднородностей импульса). В дальнейшем, с появлением оптических
кабелей, функцию дифференциальной системы стал выполнять на-
правленный ответвитель. В качестве генератора зондирующих им-
пульсов используют лазерный диод в оптическом диапазоне. Так как
скорость электромагнитного процесса в оптическом диапазоне явля-
ется функцией показателя преломления, то вместо коэффициента уко-
рочения, используемого в рефлектометрах для электричесих кабе-
лей, используется обобщенный показатель преломления
и, = пк,
где п — показатель преломления на длине волны 1 = 1550 нм;
к — коэффициент укрутки, показывающий, во сколько раз длина
ОВ в кабеле больше 1 км (для типичных ВОК к = 1,02).
Отметим важность точной установки этих коэффициентов. Ошибка
в установке этих коэффициентов на 0,1% при определении расстояния
до места повреждения кабеля фактической длиной 50000 м дает
ошибку в 50 м.
Практическое значение радиолокации очень велико. В настоящее
время методы радиолокации используются во всех сферах деятель-
ности человека. Но наиболее важным применением радиолокации
является использование ее на транспорте. Самолет, имеющий радио-
локационную установку с современными устройствами обработки
информации, может автоматически выполнять посадку даже при от-
сутствии видимости и при наличии сильных помех. В 1946 г. с
помощью радиолокации было непосредственно измерено расстояние
от земли до луны, что подтвердило результаты астрономических
наблюдений и помогло космическим кораблям совершить удачную
посадку.
Второе явление, связанное с распространением света и его рас-
сеянием в мутных средах (например, пыльный воздух), наблюда-
лось Тиндалем в 1869 г. Количественная теория этого явления была
развита Рэлеем в 1883-1889 гг. Наблюдая рассеяние света в высо-
когорных районах, Рэлей пришел к заключению, что рассеяние
света в воздухе на больших высотах вызывается не пылью, которая
практически отсутствует на высоте, а самими молекулами воздуха.
Такое рассеяние света называется рэлеевским или молекулярным
рассеянием. Физическая природа молекулярного рассеяния была
понята только в 1908 г. Молекулярное рассеяние вызывается тепло-
выми флуктуациями показателя преломления. Теория рассеяния
света в жидкостях и газах была создана в 1910 г. Эйнштейном.
236
Молекулярное рассеяние света в кристаллах впервые было ис-
следовано в кристаллах кварца Г.С. Ландсбергом под руковод-
ством Л.И. Мандельштама. Им было отмечено, что интенсивность
рассеянного света в кристаллах кварца была порядка 10 от интен-
сивности падающего света. Причем 75% рассеянного света имеет
молекулярное происхождение, а 25% рассеяния возникает при рас-
сеянии на различных микротрещинах, вкраплениях и других дефек-
тах кристалла.
Два этих явления послужили основой понимания процессов рас-
пространения импульсов в оптическом диапазоне. В 1970 г. ученые
изготовили оптическое волокно с высокой прозрачностью (примерно
20 дБ/км). Через 10 лет по мере совершенствования изготовления
заготовок для вытяжки ОВ в лабораториях стали изготавливать заго-
товки с тангенсом угла потерь tgd £ 10. Доля рассеяния, вызванная
примесями, вкраплениями посторонних частиц, микротрещинами и
другими дефектами ОВ снижена настолько, что рассеяние света обус-
ловлено практически только колебаниями молекул стекла. Практи-
чески сейчас на длине волны X = 1550 нм достигнут физический
предел километрического затухания 0,15 дБ/км.
Третьим физическим явлением, послужило создание квантового
генератора (полупроводниковый лазер). В 1973 г. Ж.И. Алферовым
были разработаны и созданы полупроводниковые лазеры, работаю-
щие при комнатной температуре и имеющие большую выходную
мощность импульсного сигнала.
Основным прибором при строительстве, монтаже, пуско-наладоч-
ных работах и при производстве аварийно-восстановительных работ
является рефлектометр. 90% всех измерений выполняется именно
этим прибором, который является прецизионным и дорогим. Эффек-
тивность его эксплуатации, особенно при проведении аварийно-вос-
становительных работ, требует от специалистов высокой квалифика-
ции. Ниже рассмотрены методика измерений, основные технические
параметры рефлектометров (OTDR).
Для обеспечения эффективной работы волоконно-оптических сис-
тем передачи очень важным является быстрое установление и, есте-
ственно, устранение обрывов волокна, особенно в системах с высо-
кой информационной емкостью, так как обрывы волокна могут
привести к закрытию большого количества каналов. Не менее важ-
ным является и вопрос определения ослабления оптического кабеля,
а также потерь, вносимых коннекторами и другими компонентами
ВОЛС при монтаже новых систем передачи.
237
8.5.1. Основы рефлектометрии в оптическом
диапазоне
Как показала практика строительства, монтажа и эксплуатации
современных сетей связи наиболее трудоемким является определение
параметров передачи направляющих систем, используемых в каче-
стве элементов тракта передачи.
Поэтому в данном разделе рассматривается оптическая рефлекто-
метрия во временной области, потому что рефлектограмма (рис. 8.13)
является наглядной характеристикой ОВ и показывает его параметры
практически в каждой точке, а также устройство и работу оптическо-
го рефлектометра, который позволяет вести тестирование на всех эта-
пах строительства, монтажа и эксплуатации.
В результате Рэлеевского рассеивания световой сигнал затухает
при прохождении по волокну. Часть светового потока поглощается
волокном, из-за несовершенной структуры стекла, часть его выходит
за границу оболочки, из-за его изгибов. Если световой сигнал пре-
терпел слишком большие потери, т.е. линия имеет слишком большое
затухание, то сигнал будет очень слабым на приемном конце, и при-
емник не сможет различить импульсы в полученном сигнале. Если
сигнал слишком слабый при приеме, то для регистрации необходимо
усилить выходную мощность при передаче, увеличить чувствитель
Рис. 8.13. Рефлектограмма — общий вид
238
ность приемника или уменьшить расстояние между приемником и
передатчиком. Важно знать какие потери возникают на определенной
длине волокна еще до того, как задействовать его в системе связи.
Если затухание в целом слишком высоко, необходимо внести кор-
ректировки. Самый лучший способ измерения затухания в волок-
не — это ввести на одном конце заведомо известный уровень свето-
вого сигнала и измерить его, при получении, на другом конце. Раз-
ница двух уровней, измеряемая в децибелах, — это затухание между
концами, иногда называемое потерей включения. Для проведения наи-
более точного измерения необходимы калиброванный источник света
и оптический измеритель мощности. Но такой способ измерения не
показывает, произошло ли затухание по всей длине волокна, либо это
затухание, локализованное в одном поврежденном месте. Он не по-
казывает, в каком месте кабеля возникла неоднородность.
С другой стороны, ОТДР дает диаграмму расстояния по отноше-
нию к уровню обратного рассеивания, а эта информация чрезвычайно
полезна для определения проблемного места в волокне.
Оптический рефлектометр — кратко «ОТДР» — это электронно-
оптический измерительный прибор, использующийся для получения
характеристики оптического волокна. Он находит дефекты, повреж-
дения и определяет величину потери в любой точке оптического во-
локна. Единственное, что нужно ОТДР для произведения замеров —
это подключение к одному концу волокна. ОТДР проводит тысячи
измерений волокна. Точки данных измерений рассматриваются меж-
ду 0,5 м и 16 м по отдельности. Точки данных изображаются на
экране в виде линии, идущей слева направо, где по горизонтальной
шкале нанесено расстояние, по вертикальной шкале — уровень сиг-
нала. Путем выбора любых двух точек данных двигающимися курсо-
рами оператор может снять данные о расстоянии и уровнях соответ-
ствующих сигналов между ними.
Применение ОТДР. Рефлектометры широко используются на всех
стадиях измерения ВОЛС, от строительства до эксплуатации, при опре-
делении места повреждения и восстановлении. ОТДР используется для:
— измерения потерь между концами при приемке и сдаче в экс-
плуатацию системы;
— измерения потерь участка (отдельных катушек) при очередной
проверке и контроле характеристик;
— измерения потерь при сварке — как механической, так и в
результате плавления — на этапах монтажа, строительства и восста-
новительных работ;
239
— измерения отражательной способности соединителей и механи-
ческих сварок на КТВ, синхронной сети оптической связи (SONET)
и других аналоговых и высокоскоростных цифровых систем, где
отражение должно быть сведено к минимуму;
— определения местонахождения разрывов и дефектов волокна;
— определения оптимального варианта совмещения волокон при
сварке [М.б. принцип работы ОТДР].
Принцип работы ОТДР. Оптический рефлектометр использует эф-
фект Рэлеевского рассеивания и отражения Френеля для измерения ха-
рактеристик оптического волокна. Путем подачи импульса света
(«optical» в ОТДР) по волокну, измерения времени прохождения («time
domain» в ОТДР) и силы отражения («reflectometer» в ОТДР) в точках
внутри волокна он вычерчивает траекторию характеристик («trace») рас-
стояния по отношению к уровню отраженного сигнала на дисплее.
Траектория может быть сразу же проанализирована, напечатана
для анализа в будущем. Обученный оператор может точно опреде-
лить, где находится другой конец волокна, местонахождение и потери
на сварке, потери всего волокна.
Рэлеевское рассеивание. При прохождении светового импульса
по волокну часть импульса сталкивается с микроскопическими
частицами (так называемыми частицами легирующей присадки)
в волокне и рассеивается во всех направлениях. Это и называет-
ся Рэлеевским рассеиванием. Некоторая часть света около (0,0001%)
рассеивается обратно, в противоположном направлении и называется
обратным рассеиванием. А поскольку эти частицы распределены
однородно по всему оптическому волокну, в силу технологических
процессов, этот эффект рассеивания происходит по всей длине. Рэ-
леевское рассеивание — это основной фактор потерь в волокне. При
более длинных световых волнах происходит меньшее рассеивание,
чем при коротких длинах волн. Например, свет в 1500 нм теряет от
0,2 до 0,3 дБ на километр (дБ/км) волокна при Рэлеевском рассеи-
вании, тогда как свет в 850 нм теряет от 4,0 до 6,0 дБ/км при рас-
сеивании. Повышенная плотность легирующей присадки в волокне
также приведет к большему рассеиванию и, тем самым, к более вы-
сокому уровню затухания на километр. ОТДР может измерить уро-
вень обратного рассеивания с большой точностью и использовать его
для обнаружения небольших изменений в характеристиках волокна в
любой точке по всей его длине.
Отражение Френеля. При прохождении по материалу (такому, как
оптическое волокно) свет сталкивается с материалом другой плотнос-
240
ти (таким, как воздух), некоторая часть света — до 4% — отражается
обратно, в сторону источника света, в то время как остальная часть
света проходит дальше. Такие изменения в плотности встречаются на
концах волокон, на обрывах волокон и (иногда) в местах сварки.
Отражение зависит от величины изменения в плотности материала,
характеристикой которого является коэффициент преломления, чем
больше коэффициент преломления, тем выше плотность), и угла, под
которым свет ударяется о границу между двумя средами. Этот тип
отражения называется Френелевским отражением. Он используется
ОТДР для точного определения места обрыва волокна.
Уровень обратного рассеивания по отношению к потерям при
передаче. Несмотря на то, что ОТДР измеряет только уровень обрат-
ного рассеивания, а не уровень переданного света, существует очень
тесная взаимосвязь между уровнем обратного рассеивания и уровнем
переданного импульса: обратное рассеивание — это постоянный
процент переданного света. Если количество передающегося света
резко спадет с точки А на точку В (что может быть вызвано резким
изгибом, сваркой или дефектом), то соответственно рассеивание от
точки А до точки В изменится на ту же величину. Те же самые
факторы потерь, понижающие уровни передающегося импульса, про-
явятся в виде пониженного уровня рассеивания от импульса [14].
Структурная схема ОТДР. ОТДР состоит из источника лазер-
ного излучения, оптического сенсора, блока сопряжения/раопределе-
ния, дисплея и блока управления, (рис. 8.14).
Источник лазерного излучения. Лазер посылает импульсы света
по команде блока управления. Длительность импульса может быть
выбрана оператором в зависимости от условий измерений. Свет про-
ходит через блок сопряжения/распределения на измеряемое волокно.
Некоторые рефлектометры имеют два лазера для измерения волокна
с помощью двух различных длин волн. Два лазера не работают од-
новременно. Оператор может легко переключиться на другой, путем
простого нажатия кнопки.
Блок сопряжения/распределения. Блок сопряжения/распределения
имеет три гнезда: одно — на источник, другое — на тестируемое
волокно, третье — на сенсор. Это устройство распределяет свет в
следующих направлениях: от лазерного излучателя к тестируемому
волокну и от волокна к сенсору. Свет не может проходить прямо от
источника в сенсор. Таким образом, импульсы с излучателя посту-
пают в тестируемое волокно, а обратное рассеивание и френелевское
отражение направляются в сенсор.
241
Рис. 8.14. Структурная схема рефлектометра
Блок оптического сенсора. Сенсор — это фотодетектор, измеря-
ющий уровень мощности света, идущего с тестируемого волокна. Он
преобразует оптическую мощность света в соответствующий электри-
ческий уровень — чем выше оптическая мощность, тем выше выход-
ной электрический уровень. Конструкция сенсоров ОТДР позволяет
измерять крайне низкий уровень света при обратном рассеивании. В
блок датчика входит электрический усилитель для дальнейшего уси-
ления уровня электрического сигнала.
Мощность отражения Френеля примерно в 40000 раз выше, чем
мощность обратного рассеивания и больше того, что может измерить
сенсор — она перегружает его, приводя к насыщению. Выходной
электрический уровень впоследствии «срезается» до максимального
выходного уровня сенсора. Поэтому, когда бы контрольный импульс
ни наталкивался на конец волокна — будь то у механической сварки
или у конца волокна — он вызывает «слепоту» сенсора во время
импульса. Такой слепой период известен под названием «мертвая
зона».
Блок управления. Блок управления — это мозг ОТДР. Он сооб-
щает лазеру, когда давать импульс; он получает уровни мощности от
сенсора; он высчитывает расстояние до точек рассеивания и отраже-
ния в волокне; сохраняет отдельные данные; посылает информацию
на дисплей. Основной компонент блока управления — это очень
точная синхронизируемая схема, которая используется для точного
измерения временной разницы между посылкой лазером импульса и
приемом сенсором возвращенного света. Путем умножения времени,
за которое импульс проходит круг, на скорость света в волокне (она
равна скорости света в открытом пространстве с поправкой на коэф-
242
фициент преломления) вычисляется расстояние всего круга. Рассто-
яние от ОТДР до точки (в одном направлении) — это просто поло-
вина двойного расстояния, пройденного оптическим импульсом. По-
скольку обратное рассеивание происходит по всему волокну,
существует постоянный возврат света на ОТДР. Блок управления
берет пробный уровень, измеренный сенсором за определенные про-
межутки времени для того, чтобы получить его данные. Каждая точка
этих данных описывается временной последовательностью (которая
соотносится с расстоянием от ОТДР) и уровнем мощности. Посколь-
ку исходный импульс становится слабее при прохождении по волок-
ну (в силу Рэлеевского рассеивания, вызывающего потери), возвра-
щенный уровень обратного рассеивания также становится слабее с
удалением от ОТДР. Поэтому данные обычно имеют уровни, умень-
шающиеся от начала к концу. Но в случае отражения Френеля, уро-
вень мощности резко идет вверх до максимального уровня в соответ-
ствующей точке данных для этого места, а именно, над уровнем
обратного рассеивания, прямо перед ним.
Когда блок управления собрал все точки данных, он выносит ин-
формацию на дисплей в виде кривой. Первая точка данных высвечи-
вается с левого конца кривой, как начальная точка волокна. Ее вер-
тикальная позиция основана на ее уровне мощности возвращенного
сигнала: чем выше мощность, тем выше расположение кривой на
экране. Следующие точки данных размещаются правее. В результате
кривая вычерчивается в виде наклонной линии, идущей с верхнего
левого угла по направлению к нижнему правому. Наклон линии по-
казывает значение потерь на единицу длины (дБ/км). Резкие наклоны
обозначают большее значение километрического затухания. Точки
данных, относящиеся к уровню обратного рассеивания, составляют
линию. Отражение Френеля выглядит в виде резкого подъема над
уровнем обратного рассеивания, (рис. 8.15). Внезапный скачок
подъема или спуска уровня обратного рассеивания показывает «точ-
ку потерь», что говорит либо о месте сварки, либо о точке механи-
ческого воздействия на волокно, в которой свет выходит наружу.
Блок дисплея. Это экран ЭЛТ, показывающий точки данных, со-
ставляющие траекторию волокна, а также установленный режим и
результаты измерений. Большинство дисплеев ОТДР соединяет точки
данных линией, что позволяет лучше представить себе всю траекто-
рию. Оператор может работать с курсорами на экране для выбора
любой точки данных на траектории волокна. Когда курсор находится
на какой-либо точке данных, на экране высвечивается расстояние до
243
Отражение Френеля от Отражение Френеля в месте Отражение
ближнего разъема механического отражения Френеля от
Рис. 8.15. Типичные неоднородности
этой точки. ОТДР с двумя курсорами покажет расстояние до каждо-
го курсора и разницу в уровне обратного рассеивания между ними.
Оператор может выбрать тип измерений, производимых курсорами,
такой как потери в двух точках, километрическое затухание, потери
на сварке и отражательная способность. Результаты измерений выво-
дятся на дисплей [14].
8.5.2. Характеристики ОТДР
Динамический диапазон ОТДР определяет, какой длины волокно
может быть измерено. Он измеряется в дицибелах — чем больше его
значение, тем большее расстояние способен измерить рефлектометр.
Контрольный импульс должен быть достаточно сильным, чтобы дос-
тичь конца тестируемого волокна, а сенсор должен быть достаточно
хорошим, чтобы измерить самые слабые сигналы обратного рассеи-
вания, поступающие с другого конца волокна. Комбинация всей им-
пульсной мощности лазерного излучателя и чувствительности сенсо-
ра определяет динамический диапазон: очень мощный источник и
чувствительный сенсор дадут большой динамический диапазон, в то
время как более слабый излучатель и сенсор средней чувствительно-
сти дадут низкий динамический диапазон.
Динамический диапазон для ОТДР определяется разницей между
уровнем обратного рассеивания на ближнем конце волокна и верхней
границей среднего уровня шумов у конца волокна или за ним. Боль-
шой динамический диапазон произведет чистые и ровные показания
уровня обратного рассеивания у удаленного конца волокна. Малень-
кий динамический диапазон произведет неровную траекторию на
244
дальнем конце — точки данных, составляющие кривую уровня обрат-
ного рассеивания не построят плавную линию, а будут скачки вверх
и вниз с одной точки к другой. Детали такой траектории трудно
читаются. Увеличение всей выходной мощности импульса лазерного
излучателя может быть выполнено двумя способами: увеличить коли-
чество излучаемого света или увеличить длительность импульса. Су-
ществуют ограничения на каждый из этих способов.
Лазерный диод имеет естественный максимальный выходной уро-
вень, который не может быть превышен. Также высокий выходной
уровень сокращает продолжительность работы лазера — он может
быстрее «выгореть».
При увеличении длительности импульса изменяются другие рабо-
чие характеристики, такие как мертвая зона: чем больше длительность
импульса, тем больше мертвые зоны. Сенсоры также имеют есте-
ственные ограничения на способность измерять низкие уровни света.
В некоторых точках электрический уровень, посланный сенсором
(который соответствует обнаруженному уровню оптической мощнос-
ти) теряется в электрическом шуме сети и блок управления не спо-
собен отличить шум от измерений сенсора. Электрическое экраниро-
вание в ОТДР крайне необходимо в целях уменьшения помех
окружающего электрического «шума» прибора. Вдобавок, когда сен-
сор работает на пике чувствительности, уменьшается точность уров-
ня. Для того, чтобы повысить точность на низких уровнях света,
ОТДР использует технику усреднения при сборе данных измерений с
тысячей импульсов. Усреднение повышает чувствительность сенсора
и тем самым повышает динамический диапазон ОТДР.
Мертвая зона относится к месту на траектории волокна, следу-
ющему за Френелевским отражением, в котором высокий возврат-
ный уровень отражения перекрывает низкий уровень обратного рас-
сеивания. Конструкция сенсора ОТДР позволяет измерять низкие
уровни обратного рассеивания с волокна и делает его «слепым» при
большем Френелевском отражении. Этот «слепой» период длится
столько же, сколько и длительность импульса.
Когда сенсор принимает высокий уровень отражения, он насыща-
ется и уже не способен измерять низкие уровни обратного рассеива-
ния, которые могут следовать непосредственно за отражательным
событием. Мертвая зона включает в себя длительность отражения
плюс время восстановления сенсора до максимальной чувствитель-
ности. Сенсоры высокого качества восстанавливаются быстрее, чем
более дешевые, что сокращает их мертвые зоны. Эффект мертвой
245
зоны может быть проиллюстрирован (рис. 8.16) тем, что происходит
в то время, когда вы смотрите на звездное небо: если нет поблизости
другого света, ваши глаза становятся чувствительными и вы способ-
ны увидеть очень тусклые звезды (сравним с обратным рассеивани-
ем). Если кто-нибудь затем наведет фонарик вам в глаза, яркий,
подавляющий свет (подобно отражению Френеля) ослепляет вас и вы
больше не способны увидеть звезды. Вы ничего не сможете увидеть,
кроме яркого света до тех пор, пока он у вас в глазах (длительность
импульса). После того, как свет убран, ваши глаза медленно привы-
кают к темноте, становясь более чувствительными и вы снова спо-
собны видеть низкий световой уровень звезд. Сенсор ОТДР действу-
ет так же, как наши глаза в этом примере. Период слепоты и
восстановления к чувствительности обратного рассеивания является
мертвой зоной.
Поскольку мертвая зона напрямую связана с длительностью им-
пульса, она может быть уменьшена сокращением длительности им-
пульса. Но сокращение длительности импульса уменьшает динами-
ческий диапазон. Конструкция ОТДР должна найти компромисс
между этими двумя характеристиками. Пользователь ОТДР также
должен выбрать длительность импульса в зависимости от того, что
важно ему увидеть: близко расположенные события или просмотреть
волокно дальше.
Важность мертвых зон. Мертвые зоны возникают по всей длине
волокна везде, где есть волоконный соединитель и некоторые дефек-
ты в волокне, такие как трещины. В каждом волокне всегда есть, по
крайней мере, одна мертвая зона: там, где оно подсоединено к ОТДР.
Это означает, что есть промежуток в самом начале тестируемого во-
Рис. 8.16. Определение мертвых зон
246
локна, где нельзя сделать измерения. Этот промежуток непосредствен-
но связан с длительностью импульса лазерного излучателя. Обычные
длительности импульса в диапазонах ОТДР составляют от 10 нм (на-
носекунды — миллиардные доли секунды) до 10000 нс. В расстоя-
ниях это выражается от двух метров до 1,5 и более километров. Если
вам нужно дать характеристику волокна, которое расположено с
ближнего конца, вам нужно выбрать самую короткую, по возможно-
сти, длительность импульса. Мертвые зоны характеризуются как мер-
твые зоны события или мертвые зоны затухания. Мертвая зона — это
расстояние после отражения Френеля до возможного следующего за
ним отражения Френеля. Мертвая зона затухания — это расстояние
после отражения Френеля до уровня обратного рассеивания. Мертвые
зоны события всегда короче мертвых зон затухания. На рис. 8.16
показано, как измеряются две мертвые зоны.
Существуют две характеристики разрешающей способности:
пространственная (расстояние) и потерь (уровень).
Разрешающая способность потерь — это способность сенсора
различать уровни принимаемой мощности. Большинство сенсоров
ОТДР способны показывать разницу до 0,01 дБ в уровне обратного
рассеивания. Эту характеристику не нужно путать с точностью уров-
ня, о которой пойдет речь позднее. По мере удаления лазерного
импульса, соответствующий сигнал обратного рассеивания становит-
ся слабее и разница между двумя уровнями обратного рассеивания с
двух соседних точек измерения — или с двух измерений одной и той
же точки — становится больше. Таким образом, точки данных, со-
ставляющие траекторию и находящиеся на удалении, делают ее более
вертикальной, чем те, что находятся близко к рефлектометру. Это
производит «зашумленную» траекторию на конце и требует некоторо-
го усреднения импульсов измерения для того, чтобы сгладить ее.
«Шум» в траектории может помешать в распознавании или измерении
сварок с низкими потерями или дефектов с низкими потерями.
Пространственная разрешающая способность показывает то,
как близко точки, составляющие траекторию, распределены во вре-
мени (и соотносятся в расстоянии). Она измеряется в единицах дли-
ны — высокая разрешающая способность — в 0,5 м и низкая раз-
решающая способность — от 4 до 16 м. Блок управления ОТДР
берет показания с сенсора о точках данных в одинаковые промежут-
ки времени. Если он часто снимает показания с сенсора, это означа-
ет, что точки данных распределены плотно друг к другу и ОТДР
может распознать плотно расположенные события в волокне. Спо-
247
собность ОТДР распознать конец волокна определяется простран-
ственной разрешающей способностью: если он снимает точки данных
каждые восемь метров, тогда он сможет распознать конец волокна с
точностью ±8 метров. Оператор может выбрать и измерить расстояние
и потери между любыми двумя точками данных. Те, которые распо-
ложены ближе, предоставят более детальную информацию. ОТДР
изображает траекторию волокна в виде линии, соединяющей точки
данных, и позволяет оператору помещать курсор как между точками,
так и в точках. Такая интерполяция информации дает лучшую разре-
шающую способность дисплея, чем общая пространственная разре-
шающая способность (или точки данных).
Пространственная разрешающая способность сокращается в опре-
деленных местах мертвой зоной. Действительные измерения затуха-
ния производятся только от уровня обратного рассеивания до уровня
обратного рассеивания (рис. 8.17). Точки данных, взятые в момент
насыщения датчика (по причине Френелевского отражения), не могут
быть использованы в проведении измерения потерь, поскольку датчик
в это время не способен производить точные измерения. Поэтому,
пространственная разрешающая способность в области Френелевско-
го отражения хуже (низкая разрешающая способность), потому что
наиболее приемлемые точки находятся до и после мертвой зоны.
Разрешающая способность измерения — расстояние между
точками данных — может быть установлена на некоторых типах
рефлектометров. Высокая разрешающая способность (более плотно
Рис. 8.17. Определение потерь
248
расположенные точки данных) обеспечивает более детальную ин-
формацию о волокне, но такой контроль обычно занимает больше
времени, чем контроль с меньшей разрешающей способностью.
Лучшая разрешающая способность, предлагаемая ОТДР — это
0,5 м между точками данных. Обычная разрешающая способность
составляет 8 м.
Более высокая разрешающая способность позволяет с большей
точностью определить местонахождение события. Например, если
ОТДР снимает измерения каждые восемь метров волокна, то тогда
вероятно, что излом может произойти в семи метрах после точки
данных. В результате отражение Френеля начнется со следующей
точки на том уровне рассеивания, который был в предыдущей точке.
Поскольку промежуток до обрыва всегда располагается на уровне
обратного рассеивания в последней точке перед отражением Френеля,
то действительное местонахождение обрыва будет сдвинуто на 7 м.
Если разрешающую способность сократить до 0,5 м, то местополо-
жение отражения будет определено гораздо точнее — примерно до
0,3 метра.
«Усиление» при сварке. Иногда при сварке двух волокон уровень
обратного рассеивания в этом месте сдвигается вверх, а не вниз. С
первого взгляда это можно расценить, как усиление мощности в ме-
сте сварки. ОТДР может показать даже отрицательное значение по-
терь на сварке. На самом же деле это показывает, что были подобра-
ны два несоответствующих волокна, второе волокно имеет более
высокий коэффициент обратного рассеивания, чем первое, поэтому
оно рассеивает обратно большую часть света. Датчик ОТДР воспри-
нимает это как более высокий уровень, чем уровень на конце первого
волокна и составляет траекторию из соответствующих точек данных
на экране выше предыдущего уровня. Если ту же самую сварку
проконтролировать с другой стороны, то ОТДР покажет более высо-
кие (но в пределах нормы) потери, чем величина отрицательных по-
терь. В этом случае реальное значение потерь на сварке — это сред-
нее арифметическое двух показаний. То есть, если усиление в
-0,25 дБ, а в обратном направлении 0,45 дБ, то действительные по-
тери на сварке составят 0,1 дБ.
На рис. 8.18 показано, как выглядит «усиление» при сварке на
экране ОТДР в сравнении с «нормальной» сваркой. Заметьте, что
наклоны двух траекторий отличаются друг от друга. Второе волокно
имеет больший наклон, чем первое, что говорит о более высоком
уровне обратного рассеивания этого волокна.
249
A
Потери на сварке -0,25 дБ
Рис. 8.18. Определение потерь на сварках
8.5.3. Типы рефлектометров и их основные
параметры
При большом многообразии типов и видов выпускаемых рефлект о -
метров рис. 8.19 необходимо понимать, что большинство рефлектомет-
ров одного класса имеют одинаковые параметры. Поэтому при выборе
рефлектометра для определенных целей, например для строительства,
следует правильно оценивать его основные параметры. Одним из таких
параметров является максимальная длина зондируемого ВОК. Напри-
мер, фирма производитель в техничеких характеристиках на ОТДР
приводит максимальную длину 320 км, а динамический диапазон при-
бора равен 41 дБ. Примем, что измерительный диапазон на 5 дБ мень-
ше динамического (эта величина рекомендована Bellcore — американ-
ский институт стандартизации). Тогда четкая рефлектограмма,
измеряемая этим прибором, может быть получена для кабеля длиной
180 км при а = 0,2 дБ/км. Указанная в рефлектометре дальность
обнаружения 320 км относится к параметрам генератора зондирующих
импульсов, т.е. интервал между зондирующими импульсами рефлек-
т ометра может быть 3200 Мкс. Теоретически этому времени и соответ-
ствует длина 320 км = 200 м/Мкс*3200 Мкс/2.
Коэффициент преломления (IOR) — это часто забываемый, но
очень важный параметр тестирования, который должен быть установ-
лен до тестирования. Он получается от производителя тестируемого
ВОК. Это очень важный для правильного масштабирования измере-
ний параметр, который влияет на точность измерения расстояния.
Коэффициент преломления должен быть проверен перед каждым те-
стированием.
250
Рефлектометры для
оптического диапазона
1
1 I I I I
Автоматические системы дистанционного контроля Прокрессиональные рефлектометры АЛЯ монтажа большого количества волокон СМА-4000 компактный ОТДР на базе PC компактный отш> на базе PC I Мини-ОТДР | Локаторы для обнаружения значительных неоднородностей Визуальные локаторы Комбинированные рефлектометры волокно/мядь
Вес: 10-20 ка Стоимость: 30-100 тыс. дол. Вес: 10-15 ка Стоимость.’ 20-30 тъю. доя. Bea 5-10 ка Стоимость: 20-30 тъю. дол. Вес: 1,5-4 ка Стоимость: 5-10 тыс. дол. Вес: 0,5-1,5 ка Вес: 0,3 ка Вес: 5 ка Стоимость: Стоимость: Стоимость: 3-5 тъю. дол. 0,5-1 тъю. дол. 10-15 тъю. дол.
Неограниченная
дальность изме-
рения, в резуль-
тате последо-
вательного рас-
положения реф-
лектометров
Измерительный
диапазон до 38 дБ.
Время просмотров и
анализов рефлектог-
реммы 10-20 сек.
Дальность обнару-
жения значитель-
ных несшнороднос-
тей: 190 км.
Измерительный Измерительный Измерительный Лазер видимого Измеряют пов-
диапазон до 38 дБ. (возможны подклю- диапазон до 28 дБ. Дальность обнару- диапазон д о 28 дБ. Дальность обнару- диапазона для обнаружения реждения на во- локнах и на
чения блоков дина- жения значитель- жения значитель- серьезных пов- ме/^ых жилах.
мического диапазона др 46 дБ. Дальность обнару- ных неоднороднос- тей: ных неоднороднос- тей (0,5дБ): реждений на волокне. Дальность обна- ружения значитель-
115 км. 115 км. Дальность ных неоднород-
жения значитель- действия до ностей: 10 км.
ных неоднороднос- тей: 190 км. 5 км.
(до 220 км).
Рис. 8.19. Типы рефлектометров и их характеристики
ОТДР использует значение показателя преломления IOR для того,
чтобы вычислить расстояние до неоднородности, поскольку он касает-
ся скорости, с которой свет проходит по волокну. Например, давайте
включим несколько чисел в формулу расстояния:
L = (сг) / 2п ,
где с — скорость света в вакууме (299800 м/с),
t — временная задержка от запуска до приема (33,3 цс);
п — коэффициент преломления волокна.
В этом случае мы получаем расстояние 3,327 км (299,800 км/с
0,0000333 с)/2х1,5 = 3,327 км. Если коэффициент преломления ме-
няется только на 0,1 до 1,400, расстояние меняется на 3,565
(299,800 км/схО,0000333 с)/2х1,4 = 3,565 км. Разница составляет
238 метров.
Длина волны при тестировании должна соответствовать длине вол-
ны, на которой идет передача в системе. Потери на километр для
одномодового волокна на 1310 нм составляют приблизительно (меня-
ются у разных производителей волокна) 0,35 дБ/км, в то время как
на 1500 нм потери составят 0,15 дБ/км. Многие компании, у которых
системы работают на 1310 нм, думают о будущем и также тестируют
на 1550 нм.
Макро- и микроизгибы, потенциальные точки потерь на волокне,
лучше обнаруживаются на 1550 нм, а не на 1310 нм, поскольку
большая длина волны на 1550 нм более чувствительна к таким типам
потерь.
Контрольные вопросы
1. Сравните источники излучения с лазерным диодом и светодиодом.
2. Чему равняется километрический коэффициент затухания линии
длиной 100 км на длине волны 1,55 Мкм, если входной уровень измери-
тельного сигнала равен -3 дБм, а выходной уровень равен -28 дБм?
3. Чем обусловлена поляризационная мода?
4. Можно ли пользоваться понятием «волновое сопротивление» для
оптического волокна?
5. Оцените значение волнового сопротивления для оптического во-
локна с показателем коэффициента преломления 1,5.
6. Что общего и в чем различие между спектральным уплотнением
систем WDM и традиционных систем с частотным разделением каналов.
7. Что общего и в чем различие между рефлектометрами для кабелей
с медными жилами и кабелей с оптическими волокнами?
252
8. На какой длине волны рефлектометрические измерения несут боль-
ше информации о качестве прокладки ВОК?
9. Каким рефлектометром определяется превышение тяжения кабеля
от допустимого значения?
10. Какую длину в оптическом волокне занимает импульс длительно-
стью 10 нс?
11. Оцените разность в разрешающей способности (минимальное рас-
стояние между двумя неоднородностями, которые регистрируются при-
бором как две неоднородности) между двумя зондирующими импульса-
ми длительностью 10 нс и 10 мкс.
12. Какие преимущества и какие недостатки у рефлектомеров с элек-
тронно-лучевой трубкой и с жидкокристаллическим индикатором?
Глава 9
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ
ВОЛС
9.1. Особенности технической
эксплуатации ВОЛС
Особенностью технической эксплуатации ВОЛС на железнодо-
рожном транспорте является решение вопросов организации техни-
ческой эксплуатации в части:
организации обслуживающего участка и обеспечение его всем
необходимым (оборудованием, машинами и механизмами) для эф-
фективной эксплуатации;
организации и проведения совместно с другими службами дороги
аварийно-восстановительных работ. Известно, что технология проведе-
ния аварийно-восстановительных работ должна быть разработана инди-
видуально для каждого участка эксплуатации (это связано с характе-
ром участка эксплуатации ВОЛС, электрифицированный участок
железной дороги или нет, тяга постоянного или переменного тока);
организации охраны труда в вопросах работы с оптическим во-
локном, с новыми химическими реактивами и т.п.
Основным руководящим документом, регламентирующим органи-
зацию и порядок технической эксплуатации первичных сетей взаимо-
увязанной сети связи Российской Федерации, являются Правила тех-
нической эксплуатации первичных сетей взаимоувязанной сети связи
Российской Федерации. Утвержденные и введенные в действие с
01.01.99. Правила технической эксплуатации состоят из шести книг.
С точки зрения технической эксплуатации ВОЛС на железнодорож-
ном транспорте наиболее важными для специалистов служб инфор-
матизации и связи (НИС) являются четыре книги:
1. Основные принципы построения и организации технической эк-
сплуатации.
2. Указания по технической эксплуатации аппаратуры и оборудо-
вания, трактов и каналов передачи.
3. Правила технической эксплуатации линейно-кабельных соору-
жений междугородных линий связи.
254
4. Правила технической эксплуатации электроустановок предпри-
ятий первичных сетей.
Для организации правильной технической эксплуатации ВОЛС
техническому персоналу необходимо в работе выполнять требования
и указания, предписанные в них. Дополнительно для работников же-
лезнодорожного транспорта основные принципы организации техни-
ческой эксплуатации ЛКС ВОЛС ЖТ отражены [16].
Правила обязательны для всех операторов, независимо от их ве-
домственной принадлежности, по мере внедрения новых технологий,
поступления замечаний и предложений к Правилам.
Техническая эксплуатация первичной сети отдельного оператора
представляет собой совокупность методов и алгоритмов техническо-
го обслуживания (ТО), которые обеспечивают организацию и под-
держание в требуемых пределах установленных норм любого объекта
технической эксплуатации (ОТЭ).
К объектам технической эксплуатации (ОТЭ) относятся техничес-
кие средства электросвязи (ТСЭ), являющиеся составной частью со-
единения в трактах и каналах передачи и имеющие стык технической
эксплуатации для обмена сигналами контроля и управления, а также
дополнительное и специальное оборудование и средства, предназна-
ченные для поддержания работоспособности ТСЭ и (или) выполнения
специальных функций, например, аккумуляторные батареи, дизели,
спецоборудование по защите информации и т.п.
Примерами ОТЭ могут быть: линейные тракты кабельных, радио-
релейных, спутниковых и воздушных систем передачи, сетевые трак-
ты, каналы передачи, участки линий передачи и трактов мультиплек-
сные и регенерационные секции для ЦСП СЦИ, аппаратура и обору-
дование сетевых узлов (станций), а также их отдельные элементы на
первичных сетях ВСС России.
Техническая эксплуатация на первичных сетях отдельных операто-
ров осуществляется:
— техническим сменным и несменным персоналом ЛАЦ;
— центрами технической эксплуатации (ЦТЭ) для цифровых се-
тей, функционирующими на каждом иерархическом уровне системы
технической эксплуатации (СТЭ) и организованными на основе тех-
нических служб операторов сетей;
— подразделениями системы оперативно-технического обслужи-
вания (СОТО) для аналоговых и цифровых наложенных сетей, фун-
кционирующими на каждом иерархическом уровне СТЭ и организо-
ванными на основе технических служб операторов сетей.
255
Техническая эксплуатация производится при:
— вводе в эксплуатацию(паспортизация);
— поддержании в состоянии исправности в процессе эксплуата-
ции (техническое обслуживание);
— восстановлении работоспособности (ремонтно-настроечные и
ремонтно-восстановительные работы).
Процесс технической эксплуатации включает в себя:
— измерение рабочих характеристик;
— обнаружение отказов;
— сигнализацию об отказах и рабочих характеристиках;
— резервирование;
— восстановление работоспособности;
— проверку (после восстановления).
Рекомендуются следующие методы ТО:
— профилактическое техническое обслуживание (ПТО), выпол-
няемое через определенные временные интервалы или в соответствии
с заранее установленными критериями и направленное на своевре-
менное предупреждение возможности появления отказа или ухудше-
ния функционирования ОТЭ;
— корректирующее техническое обслуживание (КТО), выпол-
няемое после обнаружения состояния неработоспособности ОТЭ и
направленное на его восстановление в состояние, когда параметры
качества ОТЭ находятся в пределах установленных допусков;
— управляемое техническое обслуживание (УТО), выполняемое
путем систематического применения методов анализа состояния ОТЭ
с использованием средств контроля рабочих характеристик ОТЭ,
средств управления качеством передачи и устранением неисправнос-
тей, и направленное на сведение к минимуму профилактического
технического обслуживания и сокращение корректирующего техни-
ческого обслуживания.
Используется сочетание этих методов ТО в зависимости от типа обо-
рудования. Для современных ТСЭ основным является применение УТО.
ПТО включает:
— периодический эксплуатационный контроль;
— плановые измерения рабочих характеристик и ремонтно-настро-
ечные работы (РНР);
— плановую замену компонентов аппаратуры;
— текущее обслуживание оборудования и аппаратуры.
КТО включает:
— непрерывный эксплуатационный контроль;
256
— эпизодический эксплуатационный контроль;
— оперативно-технический контроль;
— ремонтно-восстановительные работы (РВР) и РНР;
— измерение рабочих характеристик.
УТО включает:
— непрерывный эксплуатационный контроль;
— оперативно-технический контроль;
— операции управления и переключения на резерв.
9.2. Проведение аварийно-
восстановительных работ на ВОЛС
К аварийно-восстановительным работам относятся работы, прово-
димые с целью оперативного восстановления работоспособности по-
врежденной кабельной линии.
В процессе строительства и эксплуатации ВОЛС так же, как и
симметричные и коаксиальные линии связи, могут повреждаться. Ос-
новные причины повреждений для кабельных линий связи всех типов
общие:
— механические при выполнении земляных работ;
— дефекты производства, строительства и эксплуатации; грызуны;
атмосферное электричество;
— перемещение грунта (обвалы, пучения, вибрации и т.п.);
— стихийные бедствия (наводнения и др.);
— коррозия;
— умышленные повреждения и т.д.
К особенностям оптических линий связи следует отнести сильное
влияние на повреждаемость таких факторов, как усталостное разру-
шение, коррозия ОВ.
Характерные повреждения ОК — нарушение целостности ОВ,
шланговых покрытий кабеля, повреждение изоляции цепей ДП.
Продолжительность аварийно-восстановительных работ исчисляется с
момента полного или частичного прекращения действия связи до восста-
новления способности поврежденной кабельной линии обеспечивать пе-
редачу всех задействованных на данное время линейных трактов.
Аварийно-восстановительные работы должны проводиться в кон-
трольные, предусмотренные технологическими картами сроки с уче-
том погодных и других условий.
Технологические карты составляют дистанции сигнализации и
связи (ШЧ) и утверждаются службой связи дороги. Карты должны
257
разрабатываться с учетом конкретных условий и должны быть на-
правлены на сокращение продолжительности простоев каналов связи
и длительности устранения линейных повреждений (рис. 9.1).
Аварийно-восстановительные работы проводятся силами цехов
линейно-кабельных сооружений и линейно-технических цехов (ЛТЦ).
Непосредственное руководство работами осуществляет заместитель
начальника или начальник ШЧ.
Общая координация проведения АВР осуществляется главным
инженером ШЧ, а в необходимых случаях (при больших объемах
и сложности восстановительных работ) начальником службы Ш
или главным инженером с выездом на место в экстренных слу-
чаях.
В помощь подразделению, проводящему аварийно-восстановитель-
ные работы, должны привлекаться бригады соседних участков или
ЛТЦ независимо от их принадлежности другим ШЧ или дорогам.
Аварийно-восстановительные работы организуются немедленно
после получения соответствующей информации, должны проводится
в объемах, обеспечивающих восстановление действия систем переда-
чи в кратчайшие сроки, и вестись непрерывно.
Для оперативного восстановления действия связей должны быть
оснащены в необходимом количестве аварийным запасом кабелей,
временных кабельных вставок, устройствами однокабельной работы,
инструментом, измерительными приборами, инвентарем, механизма-
ми и транспортом (рис. 9.2) Указанный аварийный запас должен
храниться в специально отведенных закрытых помещениях, аварий-
ных прицепах или автомобилях.
Расходование аварийного комплекта (запаса) допускается только
для выполнения аварийно-восстановительных работ и срочных работ,
направленных на предупреждение аварий.
Состав аварийного запаса утверждается главным инженером дис-
танции сигнализации и связи. Номенклатура и количество материа-
лов, изделий и устройств, входящих в аварийный комплект, должны
определяться в зависимости от конкретных условий трассы, располо-
жения ЦЛКС и ЛТЦ, условий производства работ и др.
Пополнение аварийного запаса должно осуществляться немедлен-
но по мере его расходования [17].
Проверки полноты и исправности аварийного комплекта должны
проводиться начальниками участков ежеквартально и после каждого
случая проведения аварийно-восстановительных работ, о чем должна
делаться запись в специальном журнале.
258
259
Без системы дистанционного
контроля
С системой дистанционного контроля
Рис. 9.1. Алгоритмы проведения аварийно-восстановительных работ
Рис. 9.2. Техническое обслуживание соединительных шнуров и панелей
Условия хранения и состояние аварийного запаса должны обеспе-
чивать возможность его оперативного использования в любое время.
Перевозки приборов на необорудованных автомашинах должны
осуществляться в специальных упаковочных ящиках, гарантирующих
сохранность средств измерений.
При необходимости предприятия должны оснащаться монтаж-
но-измерительными машинами, передвижными мобильными радио-
релейными станциями, специальными плавсредствами, транспортом
(рис. 9.3) и т.д.
Для обеспечения возможности проведения аварийно-восстанови-
тельных работ в аварийный комплект должны входить продукты пи-
тания, подлежащие длительному хранению, или должны предусматри-
ваться денежные средства для экстренного приобретения продуктов
260
Рис. 9.3. Фургон для аварийно-восстановительных работ
питания, кухонные принадлежности и различная утварь, позволяющая
обеспечить личный состав аварийно-восстановительной бригады пи-
танием в течение не менее одних суток.
Планы ежегодной технической учебы персонала линейно-кабель-
ных участков и производственных лабораторий должны в полном
объеме предусматривать изучение вопросов, необходимых для ус-
пешного проведения аварийно-восстановительных работ, включая
проведение практических тренировок с выездом на трассу.
При необходимости должны заключаться соответствующие дого-
воры с управлениями и отрядами гражданской авиации о выделении
вертолетов для доставки аварийных бригад к месту аварии.
Для быстрейшего сбора восстановительной бригады на каждом уча-
стке разрабатывается соответствующая схема оповещения. Порядок сбо-
ра бригады согласно оповещению утверждается начальником участка.
Последовательность выполнения аварийно-восстановительных ра-
бот, обеспечивающая оперативное действие связи, в каждом конкрет-
ном случае определяется руководителем восстановительных работ.
О намечаемых планах ликвидации аварии, ходе работ по устране-
нию аварии и возникающих трудностях заместитель ШЧ, начальника
участка обязан немедленно докладывать руководству, которое обяза-
но сообщить о принятых мерах вышестоящей организации.
При устранении аварии на линейно-кабельных сооружениях обяза-
тельным является наличие постоянной служебной связи на всех уров-
нях управления (рис. 9.4).
В целях сокращения времени простоя каналов связи при аварий-
но-восстановительных работах, применять временные активные и пас-
261
сивные вставки и устройства однокабельной работы. Решение об
использовании указанных способов принимается руководителем вос-
становительных работ.
Длительностью устранения повреждений считать время восстанов-
ления связей в полном объеме путем включения временных кабель-
ных вставок, переключения на резервные кабельные и радиорелейные
тракты и т.д.
Переход на постоянный вариант работы линейно-кабельных соору-
жений осуществляется только после проведения полного комплекса
подготовительных работ, гарантирующих надежную работу кабельной
линии. После монтажа постоянной вставки, перед переключением
связей должны быть проведены все необходимые контрольные изме-
рения электрических и оптических параметров кабеля.
Возвращение восстановительных бригад с линии разрешается толь-
ко после получения подтверждения о нормальной работе систем связи.
Аварийно-восстановительные работы на линейно-кабельных соору-
жениях должны проводиться в соответствии с действующими прави-
лами и требованиями системы оперативного управления сетью.
Рис. 9.4. Набор переговорных устройств
262
Все аварии на линейно-кабельных сооружениях магистральных,
дорожных и местных сетей связи МПС РФ подлежат расследованию
с составлением соответствующих актов.
Расследование аварий производится комиссиями, состав которых
определяется начальником службы НИС дороги. Во всех случаях в
состав комиссий включаются руководитель или главный инженер
предприятия, на сооружениях которого произошла авария.
Расследование особо крупных аварий на магистральных кабель-
ных линиях производится комиссиями, назначенными начальником
дороги. При необходимости в состав комиссий включаются предста-
вители научно-исследовательских и проектных институтов, а также
заводов-изготовителей кабельной продукции.
При авариях на кабельных линиях, вызванных работами сторонних
организаций, производится расследование с составлением двусторон-
него акта о причинах аварии.
В процессе расследования необходимо:
— выявить причину и виновных в возникновении аварии;
— выяснить обстоятельства, способствующие аварии;
— рассмотреть и оценить: организацию работ заместителя ШЧ по
связи, ЛКЦ по ликвидации аварии и подготовленность ремонтно-вос-
становительных бригад;
— умение и оперативность действий технического персонала, уча-
ствовавшего в ликвидации аварии;
— точность определения участка и места аварии;
— эффективность и достаточность применяемых средств механи-
зации и транспорта;
— эффективность применяемых методов предупреждения аварий;
— определить меры, исключающие возникновение подобных ава-
рий в дальнейшем.
Материалы расследования аварий должны включать объяснения
руководителей структурных подразделений и предприятий.
О каждой аварии на линейно-кабельных сооружениях должен быть
составлен аварийный акт.
Аварийные акты составляются в трех экземплярах, из которых: один остает-
ся у главного инженера или начальника НИС, один—у начальника участка,
один в пятидневный срок после ликвидации аварии при необходимости или по
запросу отправляется д ля подачи в государственную страховую организацию.
После устранения аварии или повреждения обязательным является
внесение в кратчайший срок соответствующих изменений в паспорт
(планшет) кабельной трассы.
263
Предприятия, управления и организации связи должны ежегодно
проводить подробный анализ причин и хода устранения аварий, раз-
рабатывать и осуществлять мероприятия, направленные на улучшение
качественных показателей технической эксплуатации линейно-кабель-
ных сооружений, повышение их надежности и долговечности.
9.3. Охрана труда при строительстве
и техническом обслуживании ВОЛС
Работа по охране труда на железнодорожном транспорте должна
быть направлена на создание наиболее благоприятных условий для
высокопроизводительного труда, максимальное сокращение ручного,
малоквалифицированного и тяжелого физического труда, улучшение
техники безопасности, предупреждение производственного травматиз-
ма и профессиональных заболеваний, строгое соблюдение законода-
тельства о труде.
Учет, анализ и оценка состояния охраны труда. Управленчес-
кие решения по охране труда принимают руководители всех звеньев
управления на основе данных учета, анализа и оценки ее состояния.
Для выполнения этой задачи каждая дистанция сигнализации и
связи имеет кабинет (уголок) охраны труда (ОТ) которой должен
быть оснащен:
нормативно-технической документацией по охране труда (стандар-
тами, нормами, правилами, инструкциями), директивными, методическими
и информационными материалами по вопросам трудового законодатель-
ства, технике безопасности, производственной санитарии, технической эс-
тетике, инженерной психологии (эргономике), пожарной безопасности
и др.;
учебными программами по охране труда для технических школ,
курсов подготовки и повышения квалификации кадров массовых
профессий на железнодорожном транспорте;
наглядными учебными пособиями (плакатами, фотовыставками,
альбомами, схемами, макетами, моделями, диафильмами, кинофиль-
мами, натурными образцами защитных средств и др.) по технике
безопасности и производственной санитарии;
учебными пособиями (справочниками, учебными книгами, памят-
ками) и периодическими изданиями по охране труда.
Желательно, чтобы в кабинете были основные контрольно-измери-
тельные приборы для оперативной оценки факторов условий труда
(люксметры, шумомеры, дозиметры и т.п.).
264
При составлении проекта производства работы технологических
карт, необходимо предусмотреть технологическую последователь-
ность производственных операций так, чтобы предыдущая операция
на являлась источником производственной опасности при выполне-
нии последующих.
В соответствии с требованиями ВСН 116-93 все каналы вводных
блоков, как свободные, так и занятые кабелями в зданиях АТС, МТС,
должны герметично заделываться со стороны помещения ввода кабе-
лей с помощью герметизирующих устройств. В помещении ввода
кабелей не допускается:
устройство ввода силовых кабелей, радиофидеров, водопровода,
теплоцентрали, газопровода;
размещение какого-либо оборудования, кроме датчиков определе-
ния загазованности, затопляемости и распределительных стативов с
сигнализаторами аварийного расхода воздуха, выполненными во
взрывозащищенном исполнении. Светильники и электроарматура в
помещении ввода кабеля должны быть во взрывозащищенном испол-
нении.
В помещении ввода кабелей могут применяться для освещения
переносные лампы с напряжением не выше 12 В.
Помещение ввода кабелей должно иметь плотно закрывающуюся
дверь, обитую железом с двух сторон и имеющую пружину для
самозакрывания.
К работам по строительству и монтажу кабельных линий связи до-
пускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие медицинское освиде-
тельствование, вводный инструктаж, инструктаж и обучение на рабо-
чем месте, проверку знаний правил по охране труда и имеющие
квалификационную группу по электробезопасности не ниже III. Строи-
тельно-монтажные работы производят в соответствии с указанием ге-
нерального директора, заместителя генерального директора, которым
определяются: виды работ, место и сроки проведения работ, состав
бригады, назначается ответственный за производство работ (старший
бригады).
Работники, занятые строительством и монтажом кабельных
линий связи, обязаны:
соблюдать правила внутреннего трудового распорядка;
пройти обучение безопасным методам труда в объеме технологии
ведения работ;
знать и соблюдать правила по охране труда в объеме выполняемых
обязанностей, ежегодно подтверждать III группу по электробезопасности;
265
знать порядок проверки и пользования ручным механическим и элек-
троинструментом, приспособлениями по обеспечению безопасного
производства работ (стремянки, лестницы и другое), средствами за-
щиты (диэлектрические перчатки и ковры, инструмент с изолирую-
щими рукоятками, индикаторы напряжения, защитные очки);
выполнять только ту работу, которая определена указанием на про-
изводство работ, инструкциями по монтажу и наладке оборудования,
и при условии, что безопасные способы ее выполнения хорошо из-
вестны;
уметь оказывать первую медицинскую помощь пострадавшим от
электрического тока и при других несчастных случаях;
соблюдать инструкцию о мерах пожарной безопасности;
о каждом несчастном случае на производстве немедленно изве-
щать непосредственного руководителя.
При строительстве и монтаже кабельных линий связи воз-
можны воздействия следующих опасных и вредных производствен-
ных факторов:
неблагоприятные метеорологические условия (низкая температура
воздуха, повышенная влажность и т.п.);
возможность появления или образования в зоне работы ядовитых,
взрыво- и пожароопасных сред;
работа на действующем или рядом с действующим оборудовани-
ем, без отключения или с отключением дистанционного питания;
работа вблизи железнодорожных путей;
работа в охранной зоне нефтепроводов и газопроводов;
работа на территории действующих предприятий;
недостаточная освещённость рабочего места;
Работы на кабельных линиях запрещаются:
во время грозы;
при температуре наружного воздуха ниже нормы, установленной
местными органами власти.
Исключение допускается при ликвидации аварий. В этом случае
руководитель работ обязан организовать в непосредственной близос-
ти от места работы средства для обогрева.
Работы на кабелях, по которым подается дистанционное питание,
производятся по нарядам, с указанием разрешения и времени снятия
напряжения. Эти работы проводятся не менее чем двумя лицами, одно
из которых назначается старшим, ответственным за выполнение тре-
бований безопасности, с квалификационной группой по электробезо-
пасности не ниже IV.
266
Для организации доврачебной помощи пострадавшему бригада
должна быть оснащена медицинской аптечкой, а каждый работающий
должен иметь индивидуальный антисептический пакет.
За невыполнение данной инструкции виновные привлекаются к
ответственности согласно правилам внутреннего трудового распоряд-
ка или взысканиям, определённым кодексом законов о труде Россий-
ской Федерации.
Требования безопасности перед началом работ. Перед началом
работ руководитель работ должен:
провести инструктаж по мерам безопасности с техническим пер-
соналом;
установить связь со смежными участками сети связи;
обеспечить присутствие персонала на питающем пункте, если по
кабелю, на котором производятся работы, подаётся от него дистанци-
онное питание.
после получения инструктажа технический персонал обязан:
надеть установленную по действующим нормам специальную
одежду и технологическую обувь, застегнуть спецодежду на все
пуговицы, надеть головные уборы;
привести в порядок средства коллективной и индивидуальной за-
щиты;
приготовить к работе необходимые инструменты и убедиться в их
исправности;
установить необходимые ограждения и предупредительные знаки;
обо всех недостатках и неисправностях, обнаруженных при осмот-
ре на рабочем месте, доложить старшему бригады для принятия мер
к их полному устранению;
Требования безопасности во время работы.
Прокладка (подвеска) кабелей должна выполняться только по утверж-
денным чертежам, на которых должны быть указаны находящиеся в пре-
делах рабочей зоны инженерные коммуникации (силовые кабели, кабели
связи, газо-, водопроводы и др.). При обнаружении в пределах рабочей
зоны инженерных коммуникаций, не указанных на чертежах, работы дол-
жны быть остановлены до уточнения положения коммуникаций с их вла-
дельцами и соответствующей коррекции чертежей.
Работать только в исправной и тщательно подогнанной спецодежде
и спецобуви и применять индивидуальные средства защиты, положен-
ные на рабочем месте по действующим нормам.
Работа с кабелем, имеющим цепи дистанционного питания
(ДП). На коммутационном оборудовании, при помощи которого
267
снято напряжение ДП, должны быть вывешены плакаты с надписью:
«Не включать — работы на линии’». Одновременно со снятием на-
пряжения ДП с кабеля снимается напряжение телеуправления и сиг-
нализации. На платы телеуправления и сигнализации также вывеши-
ваются плакаты: «Не включать — работы на линии!».
Производить переключения на высоковольтном коммутационном
оборудовании необходимо в диэлектрических перчатках, стоя на ди-
электрическом ковре или в диэлектрических галошах.
В отсутствии напряжения на токоведущих частях оборудования,
кабеля необходимо убедиться при помощи переносного вольтметра
или индикатора.
Разрезать и вскрывать кабель и муфты можно только в присут-
ствии руководителя работ. При этом электромонтёр должен быть в
диэлектрических галошах, диэлектрических перчатках и защитных
очках. После вскрытия кабеля его необходимо разрядить на землю и,
убедившись в отсутствии напряжения, работать без средств защиты.
Ножовка, используемая при разрезании кабеля, должна быть зазем-
лена.
Электроизмерительные работы. Настройка, испытания и измере-
ния проводятся бригадами, состоящими не менее чем из двух чело-
век, на каждом конце измерительного участка.
Подключение и отключение переносных приборов, требующих
разрыва электрических цепей, находящихся под напряжением, долж-
ны выполняться при полном снятии напряжения.
Подключение и отключение измерительных приборов, не требую-
щих разрыва первичной электрической цепи, допускаются под на-
пряжением при условии применения проводов с высокой электри-
ческой изоляцией и специальных наконечников с изолирующими
рукоятками. Размер изолирующей рукоятки должен быть не менее
200 мм.
Во время измерений металлические корпуса приборов и кожуха
трансформаторов должны быть заземлены.
Электрические измерения кабельных линий связи, подверженных
опасному влиянию ЛЭП или электрифицированных железных дорог
переменного тока, необходимо производить в диэлектрических перчат-
ках, стоя на диэлектрическом ковре или в диэлектрических галошах.
Не следует без ведома руководителя работ вносить какие-либо
изменения в схемы испытаний (измерений) и изменять установленный
порядок работы.
268
Испытательное напряжение подается на линию после того, как от
всех бригад, работающих на линии, получены подтверждения о го-
товности к проведению испытания;
Включение и выключение напряжения ДП производятся ответ-
ственным дежурным участка сети связи по указанию лица, ответ-
ственного за проведение испытаний. Время включения и выключения
ДП фиксируется в журнале дежурного. В тот же журнал записыва-
ются фамилии руководителей работ, сообщивших о готовности к
включению ДП.
Все операции по измерениям, в том числе подача напряжения ДП,
производятся по команде, передаваемой по служебной связи.
Не следует приступать к работам по электрическим измерениям
при приближении и во время грозы, дождя, тумана или снегопада.
Работа на волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). Для
монтажа оптического кабеля используется передвижная лаборатория,
оборудованная на базе автомобиля. В автомобиле расположен комп-
лект для сварки оптического кабеля, небольшой запас растворителя
(0,3-0,5 л) нефрас 50/170 в металлической емкости.
После снятия внешней оболочки необходимо удалить гидрофоб,
применяя нефрас. Работы следует производить при включенной при-
точно-вытяжной вентиляции, так как нефрас — легковоспламеняю-
щаяся жидкость, относящаяся к вредным веществам.
Работник, производящий монтаж волоконно-оптического кабеля,
должен быть осторожен со сколотым волокном: не разбрасывать его,
складывать в определённое место и следить, чтобы частицы этого
волокна не попали через одежду на тело. Для этой цели необходимо
пользоваться защитным фартуком.
Монтажный стол и пол в монтажно-измерительной автомашине после
каждой смены следует обрабатывать пылесосом, а затем протирать
мокрой тряпкой. Тряпку следует отжимать в плотных резиновых пер-
чатках.
При работе с устройством для сварки оптических волокон
необходимо соблюдать следующие требования:
все подключения и отключения приборов, требующих разрыва
электрических цепей или соединения с высоковольтными цепями
устройства, производить при полном снятии напряжения;
корпус прибора заземляется;
во время наладочных работ следует помнить, что трансформатор,
высоковольтные провода, электроды в режиме сварки находятся под
высоким напряжением;
269
запрещается эксплуатация устройства со снятым защитным кожухом
блока электродов;
не реже одного раза в неделю производить проверку исправности
изоляции высоковольтных проводов. Запрещается работать на уст-
ройстве при повреждении изоляции высоковольтных проводов.
для наблюдения за сваркой работник обязан применять защитные
очки.
Меры безопасности при нахождении на железнодорожных
путях. Находясь на железнодорожных путях, необходимо:
при проходе вдоль путей на перегоне одному или группой идти в
стороне от пути или по обочине; на станции идти по обочине пути,
посередине наиболее широкого междупутья или по установленному
для данной станции маршруту прохода, при этом надо следить за
движущимися поездами, маневрирующими составами и локомотива-
ми; при переходе через пути следует сначала осмотреться и убедиться
в том, что к месту перехода не приближается подвижной состав;
переходить пути следует под прямым углом, при этом нельзя стано-
виться на головку рельса, между остряком и рамным рельсом стре-
лочного перевода; при следовании группой идти по одному друг за
другом или по два человека в ряд, не допуская отставания и движе-
ния толпой; при переходе через путь, занятый стоящим подвижным
составом, пользоваться переходными площадками вагонов или обой-
ти состав; запрещено подлезать под вагонами или автосцепками и
протаскивать под ними инструмент, монтажные приспособления и
материалы; прежде чем сойти с площадки вагона на междупутье,
необходимо убедиться в исправности подножек и поручней, а также
в отсутствии движущихся по смежному пути локомотивов и вагонов;
при сходе с площадки следует держаться за поручни, располагаясь
лицом к вагону.
Запрещается переходить через пути перед приближающимися ло-
комотивами, вагонами, автодрезинами; при обходе группы вагонов
или локомотивов, стоящих на путях, следует переходить путь на рас-
стоянии не менее 5 м от крайнего вагона или локомотива и проходить
между расцепленными вагонами, если расстояние между ними не
менее 10 м; при этом следует убедиться в том, что по соседнему пути
не движется поезд, маневровый состав, одиночный локомотив или
отцеп.
Не разрешается садиться на рельсы, концы шпал, балластную
призму, дроссель-трансформатор, а также любые другие устройства,
270
расположенные как в пределах, так и вблизи габарита подвижного
состава.
На скоростных участках, если нет возможности пройти в стороне
от пути или по обочине, допускается проход по пути с соблюдением
следующих требований:
на двухпутных участках необходимо идти навстречу движению
поездов; при движении группой последним должен идти руководи-
тель работ, ограждая группу развёрнутым красным флагом (ночью
фонарем с красным огнем); впереди группу должен ограждать спе-
циально выделенный работник указанным выше порядком;
не менее чем за 400 м до приближающегося поезда следует отойти
на обочину на расстояние не менее 2 м от крайнего рельса при ско-
рости движения до 120 км/ч, 4 м — от 121 до 160 км/ч и 5 м — от
161 до 200 км/ч;
если по пути идут в рабочем положении путеукладчик, электро-
балластер, уборочная машина, рельсошлифовальный поезд или дру-
гие путевые машины тяжёлого типа, то отходить от крайнего рельса
следует на расстояние не менее 5 м; если идет путевой струг, то
отходить нужно на расстояние не менее 10 м; а если однопутный
снегоочиститель, то не менее чем на 25 м.
При плохой видимости, в крутых, кривых, глубоких выемках, во
время тумана или метели, а также в случаях, когда нет возможности
двигаться по обочине пути, обходы с осмотром контактной сети ВЛ
необходимо осуществлять в два лица. При этом один из них должен
идти с развернутым красным флагом и следить за приближающимися
поездами.
Перед началом прохода по железнодорожному мосту или тоннелю
необходимо убедиться в том, что к нему не приближается поезд.
По мостам и тоннелям длиной менее 50 м разрешается проходить
только тогда, когда не видно приближающегося поезда.
На мостах и в тоннелях длиной более 50 м при приближении
поезда необходимо укрываться на специальных площадках или в
нишах-укрытиях.
Требования безопасности в аварийных ситуациях: Каждый ра-
ботник, обнаруживший нарушения требований настоящей инструк-
ции и правил по охране труда или заметивший неисправность обо-
рудования, представляющую опасность для людей, обязан сообщить
об этом непосредственному руководителю. В тех случаях, когда
неисправность оборудования представляет угрожающую опасность
для людей или самого оборудования, работник, ее обнаруживший,
271
обязан принять меры по прекращению действия оборудования, а
затем известить об этом непосредственного руководителя. Устране-
ние неисправности производится при соблюдении требований безо-
пасности.
Если во время работы произошел несчастный случай, необхо-
димо немедленно оказать первую медицинскую помощь постра-
давшему, доложить о случившемся своему непосредственному
начальнику и принять меры для сохранения обстановки несчастно-
го случая, если это не сопряжено с опасностью для жизни и здо-
ровья людей.
При поражении электрическим током необходимо как можно ско-
рее освободить пострадавшего от действия тока, в случае работы на
высоте принять меры, предупреждающие его от падения.
При возникновении пожара следует немедленно приступить к его
тушению имеющимися средствами и вызвать пожарную часть.
При обнаружении постороннего напряжения на рабочем месте не-
обходимо немедленно прекратить работу и доложить старшему бри-
гады.
При прекращении электропитания во время работы с электроинст-
рументом или перерыве в работе электроинструмент должен быть
отключен от электросети.
При обнаружении запаха газа надо немедленно вызвать аварийную
газовую службу, не включать и не выключать токоприемников, обес-
печить естественную вентиляцию помещения.
Требования безопасности по окончании работы. Необходимо
привести в порядок рабочее место, инструмент и приспособле-
ния.
Сообщить старшему бригады о всех неисправностях, замеченных
во время работы, и мерах, принятых к их устранению.
Спецодежду нужно убрать в специально отведенное место.
Необходимо тщательно вымыть лицо и руки теплой водой
с мылом. После выполнения работ, связанных со сваркой оптических
волокон, необходимо тщательно прополоскать рот.
Контрольные вопросы
1. Какие особенности технической эксплуатации ВОЛС необходимо
предусмотреть в работе специалистов службы НИС?
2. Перечислите основные разделы Правил технической эксплуатации
первичных сетей ВСС РФ, которые являются наиболее важными для спе-
циалистов службы НИС?
272
3. Назовите методы технического обслуживания и какой из них явля-
ется основным для применения?
4. За счет каких технологических цепочек (см. рис. 9.1) уменьшается
время проведения аварийно-восстановительных работ?
5. Составьте причины повреждения подвесных ВОЛС, подвешенных на
опоры контактной сети электрифицированной ж.д. в порядке величины
повреждения.
6. Почему ВОЛС требования к снижению времени простоя сети связи
из-за аварий более жесткие, чем на сетях связи с обычными системами
передачи, работающими по кабелям с медными жилами?
7. С какой целью необходимо использовать технологию очистки меха-
нических наконечников, представленную на рис. 9.2?
8. Назовите недостатки использования монтажного фургона на сетях
связи железнодорожного транспорта проведении строительно-монтажных
работ, аварийно-восстановительных работ.
9. Возрастные ограничения при производстве строительно-монтажных
работ на ВОЛС.
10. С точки зрения охраны труда какие особенности можно указать
при работе вблизи железнодорожных путей.
273
Список литературы
1. Верник С.М., Гитин В.Я., Иванов В.С. Оптические
кабели связи. — М.: Радио и связь, 1988.
2. Использование на железнодорожном транспорте волоконно-
оптических линий передачи информации/ И.А. Здоровцов, А.Ю. Ка-
занский, В.В. Шмытинский, В.К. Котов //Ж.-д. транспорт, сер. «Сиг-
нализация и связь», ЭИЦНИИТЭИ, 1994. вып. 1.
3. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. — М.:
ЭКО-ТРЕНЗ, 1998.
4. Мальке Г., ГессингП. Волоконно-оптические кабели: Пер.
с англ. — 1997.
5. J a m е s J. Refi «Fiber optic cable». Published by abc Teletraning,
Jnc., 1991.
6. Временные правила строительства и технического обслужива-
ния кабельных линий устройств СЦБ на станциях и перегонах, соору-
жаемых с применением трубопроводов. — М., 1998.
7. Временная инструкция по прокладке и монтажу оптического
кабеля в ПЭ трубках «SIL1CORE». — М., 1997.
8. Вестник связи. — № 5. — 1999.
9. Технологии и средства связи. — № 6. — 1999.
10. Сети и системы связи. — № 4. — 1999.
11. Семено А.Б., Стрижаков С.К, Сунчелей И.Р. Струк-
турированные кабельные системы. — М., 1999.
12. Волоконно-оптические кабели для телекоммуникаций. —
Tampere Finland, 1999.
13. Hecht J. Understanding Fiber Optics.— USA., 1996.
14. И в а н о в А.Б. Волоконная оптика. — M., 1999.
15. Пономарев В.М., Левицкий А.Л. Безопасность труда на
железнодорожном транспорте. — М.: Транспорт, 1992.
16. Инструкция по технической эксплуатации ВОЛП железнодо-
рожного транспорта. — М., МПС России, 2001.
17. Правила технической экплуатации первичных сетей взаимоувя-
занной сети связи Российской Федерации. — М.: ГОСКОМСВЯЗЬ
России, 1998.
18. Теория передачи сигналов на железнодорожном транспор-
те: Учеб, для вузов ж.-д. трансп./Г.В. Горелов, А.Ф. Волков,
В.К. Котов. — М.: Транспорт, 1999. 415с.
274
Оглавление
Предисловие......................................................3
Глава 1. Основные элементы волоконно-оптических линий
и сетей связи.............................................5
1.1. Области использования оптических волокон и волоконно-
оптических кабелей связи на железнодорожном транспорте.........5
1.2. Физико-химические свойства и производство оптичес-
ких волокон.................................................... 13
1.3. Структурная схема передачи информации по оптичес-
ким кабелям.................................................. 18
1.4. Кабельная арматура, оборудование и сооружения.......... 25
1.5. Топологические и структурные схемы волоконно-
оптических сетей связи....................................... 40
Глава 2. Оптоэлектронные и пассивные элементы волоко-
нно-оптической связи........................................... 47
2.1. Источники оптического излучения........................ 47
2.2. Приемники оптического излучения........................ 53
2.3. Пассивные оптические элементы.......................... 58
2.4. Волоконно-оптические усилители......................... 64
Глава 3. Конструкция и типы оптических волокон................. 68
3.1. Конструкция оптических волокон......................... 68
3.1.1. Сердцевина и отражающая оболочка.................. 68
3.1.2. Первичное защитное покрытие и защитные обо-
лочки оптических волокон................................. 70
3.2. Два подхода к объяснению процесса распростра-
нения света в оптических волокнах........................... 72
3.2.1. Лучевой подход.................................... 74
3.2.2. Электромагнитный подход........................... 78
3.3. Причины ограничения дальности и скорости переда-
чи по оптическим волокнам................................... 80
3.3.1. Распространение плоских волн в проводящих
и диэлектрических средах................................. 80
3.3.2. Затухание оптических волокон...................... 82
3.3.3. Дисперсия импульсных сигналов..................... 85
3.3.4. Модовая дисперсия................................. 86
3.3.5. Волноводная дисперсия............................. 88
3.3.6. Дисперсия материала............................... 89
3.3.7. Поляризационная модовая дисперсия................. 91
3.4. Типы оптических волокон................................ 92
3.5. Разновидности многомодовых волокон и области их
использования................................................ 95
3.6. Разновидности одномодовых волокон и области их испо-
льзования ................................................... 98
275
Глава 4. Характеристики оптических волокон, определяющие
их качество и долговечность.................................... 102
4.1. Характеристики передачи................................. 103
4.1.1. Коэффициент затухания.............................. 103
4.1.2. Полоса пропускания и хроматическая дисперсия....... 105
4.2. Геометрические характеристики........................... 109
4.3. Механическая прочность и срок службы оптических
волокон..................................................... 112
4.3.1. Теоретическая и реальная прочность оптического
волокна на разрыв........................................ 112
4.3.2. Испытание оптического волокна на прочность и
расчет вероятности разрушения волокна.................... 113
4.3.3. Срок службы оптического волокна................... 115
Глава 5. Конструкции и характеристики оптических кабелей....... 119
5.1. Общие требования к оптическим кабелям................... 119
5.2. Элементы конструкций оптических кабелей................. 122
5.2.1. Сердечник кабеля................................... 123
5.2.2. Упрочняющие элементы............................... 125
5.2.3. Оболочка кабеля.................................... 126
5.3. Механические характеристики оптических кабелей
связи....................................................... 127
5.3.1. Методы испытаний стойкости оптического кабеля
к воздействию различных нагрузок......................... 128
5.4. Отечественные оптические кабели для железнодорожных
сетей связи и сетей связи общего пользования............. 130
5.4.1. Условные обозначения кабелей ЗАО «ТрансВОК» и
ЗАО СОКК................................................. 132
5.4.2. Конструкции оптических кабелей ЗАО СОКК........... 135
5.5. Развитие зарубежных технологий производства оптичес-
кого волокна и кабеля....................................... 137
5.5.1. Развитие технологии производства оптических
волокон.................................................. 137
5.5.2. Развитие технологий оптических кабелей............. 139
5.5.3. Самонесущий кабель для подвески на опорах конта-
ктной сети............................................... 141
5.5.4. Ленточные кабели................................... 142
Глава 6. Проектирование, строительство и монтаж волоконно-
оптических линий связи на железнодорожном транспорте..... 145
6.1. Основы проектирования кабельных ВОЛС.................... 148
6.1.1. Состав проекта, краткое изложение его основных
разделов................................................. 150
6.1.2. Расчет длины регенерационного участка, выбор
типа ОВ.................................................. 153
6.2. Способы и технологические принципы прокладки ВОК на
сетях связи железнодорожного транспорта..................... 161
276
6.2.1. Прокладка ВОК в грунте............................. 162
6.2.2. Прокладка ВОК в канализацию или трубопровод........ 162
6.2.3. Подвеска диэлектрического ВОК на опорах контак-
тной сети, линиях автоблокировки и связи.................. 168
6.3. Технологии подвески самонесущего оптического кабеля..... 169
6.3.1. Проект организации строительства и производства
работ..................................................... 169
6.3.2. Технология подвески кабеля на опоры КС............. 171
6.4. Вводы кабеля в помещение и монтаж оконечных устройств... 173
6.4.1. Установка, монтаж оконечных устройств.............. 173
6.4.2. Соединительные муфты и распределительные короб-
ки для монтажа внутренней проводки....................... 176
6.4.3. Распределительные панели и оптические распредели-
тельные устройства....................................... 177
6.5. Соединение ОВ, контроль оптических и механических
параметров места соединения................................. 180
6.5.1. Технологии сращивания ОВ и контроль качества
сварных соединений.................................. 180
6.5.2. Механическое соединение ОВ и типы соединителей..... 183
Г лава 7. Строительство железнодорожных ВОЛС в пластмас-
совых трубопроводах и канализации.............................. 188
7.1. Преимущества прокладки кабелей в пластмассовых тру-
бопроводах.................................................. 189
7.2. Типы полиэтиленовых трубопроводов....................... 191
7.3. Прокладка пластмассовых трубопроводов и обозначение
трассы...................................................... 193
7.4. Соединение строительных длин трубопроводов и провер-
ка проходимости и герметичности магистрали.................. 197
7.5. Способы прокладки оптических кабелей в трубопрово-
дах и кабельной канализации................................. 201
7.6. Расчет усилия тяжения при прокладке кабеля в телефон-
ной канализации............................................. 207
Глава 8. Измерения параметров волоконно-оптических линий
связи.......................................................... 212
8.1. Методы и средства измерения оптических характерис-
тик ВОЛС.................................................... 213
8.1.1. Измерение основных параметров ВОЛС................. 213
8.1.2. Измерение оптической мощности, затухания и
вносимых потерь.......................................... 214
8.1.3. Тенденции развития методов и средств изме-
рения ВОЛС............................................... 218
8.2. Приемо-сдаточные измерения и составление
паспорта ВОЛС................................................ 226
8.3. Система дистанционного контроля ВОЛС ................... 228
277
8,4. Измерение затухания оптическими тестерами.............. 230
8.4.1. Методы измерения затухания........................ 231
8.4.2. Конструктивные особенности оптических тестеров..... 232
8.5. Рефлектометрические измерения параметров
ВОЛС........................................................ 234
8.5.1. Основы рефлектометрии в оптическом диапа-
зоне .................................................... 238
8.5.2. Характеристики ОТДР............................... 244
8.5.3. Типы рефлектометров и их основные параметры....... 250
Глава 9. Техническая эксплуатация ВОЛС......................... 254
9.1. Особенности технической эксплуатации ВОЛС.............. 254
9.2. Проведение аварийно-восстановительных работ на
ВОЛС........................................................ 257
9.3. Охрана труда при строительстве и техническом
обслуживании ВОЛС........................................... 264
Список литературы.............................................. 274
278
Учебное издание
Виноградов Владимир Валианович,
Котов Владимир Кириллович,
Нуприк Владимир Николаевич
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ линии
связи
Корректор В. Т. Агеева
Редактор Г.Ю. Микрюкова
Дизайн М. Львова
Компьютерная верстка Н.Ф. Цыганова
ИД № 01842 от 22.05.2000. Сдано в набор 16.03.2001.
Подписано в печать 18.10.2001. Тип. Зак. № Формат 60х80‘/16.
Печ л. 17,5. Тираж 6000 экз.
Москва, Басманный переулок, 6
ИПК «Желдориздат»
Отпечатано в типографии РГОТУПСа
107078, Москва, Басманный переулок, 6