Доклад про оптоволоконный кабель

Обновлено: 30.06.2024

Волоконная оптика как термин — это учение о распространении светового потока в оптическом волокне. Как продукция волоконная оптика – это все то, что имеет в составе оптико-волоконный элемент.

Оптическое волокно – это изготовленная из кварцевого стекла тонкая жила, внутри которой течет световой луч, не покидая ее пределов. Сегодня существует оптоволокно с пластиковым сердечником, характеристики которого близки к натуральному кварцу. Смысл один – световой пучок отражается от стенок жилы и сохраняет свое информационное содержание вне зависимости от дальности передачи данных. Именно оптоволокно – самый лучший материал трансляции цифрового сигнала без затухания на дальние расстояния.

Появление и развитие оптоволокна

Световые сигналы, как метод обмена информацией, используются со времен появления огня. Идея информирования светом в новом времени впервые была апробирована Р.Гуком, который создал оптический телеграф, способный передавать информацию с помощью интервальной трансляции световых видимых сигналов, которые можно было увидеть на разных расстояниях невооруженным глазом или в подзорную трубу.

Далее появился другой сигнальный аппарат, который разработал Клоп Шапп. Здесь была трансформирована не только идея использования световых импульсов, но и введена систематизация подаваемых аппаратом сигналов. Теперь наборы знаков были унифицированы, а для их расшифровки был составлен словарь. Телеграфы нового типа быстро распространились не только на родине создателя во Франции, но и по всему континенту.

После этого был еще ряд доработок световых телеграфов, пока в 1960 году не появился лазер. Открытие принадлежит советским ученым, которые не только открыли новую форму светового луча, но и заложили базу для дальнейшего развития методик передачи данных светом.

Современные оптико-волоконные линии связи отличаются большей долговечностью, качеством, стойкостью к внешним воздействиям и разы превосходят медные кабельные сети передачи данных. Несмотря на более высокую стоимость, оптоволокно быстро и уже почти полностью заменило магистральные телекоммуникационные сети, обеспечив высокую скорость, чистоту и защиту сигнала от помех.

Материалы для оптоволокна

Как мы говорили выше, оптоволоконный кабель в сердечнике имеет кварцевый или полимерный стержень. Натуральный кварц обуславливает следующие характеристики кабельной продукции:

Высокую оптическую проницаемость, что позволяет транслировать волны разных диапазонов.

Малое затухание (потери сигнала), что является определяющим преимуществом для использования оптоволокна при построении магистралей большой протяженности.

Температурную стойкость – оптико-волоконные кабели могут эксплуатироваться при экстремально высоких температурах.

Большую гибкость – световоды на основе кварцевого оптоволокна могут иметь до 1000 микрометров в диаметре.

К минусам стоит отнести снижение пропускной способности в зонах с инфракрасным излучением: здесь сигнал затухает и использование дорогостоящих кабелей нецелесообразно.

Структура оптического кабеля

Вне зависимости от того, используется кварцевый или полимерный материал, структура кабеля одинакова. Ее образуют:

Внешняя обшивка. Это буфер от внешних воздействий. Защищает внутренние компоненты кабеля от факторов среды, включая химические и механические воздействия. Предельно допустимая толщина обшивки не превышает 250 микрон.

Виды кабельной продукции на основе волоконной оптики

Сегодня существует два вида оптоволокна – одномодовое и многомодовое . Они различаются характеристиками и диаметром сердечника.

Диаметр сердечника одномодового волокна не превышает 8 микрон. Именно этот тип используется для трансляций на дальние расстояния, так как межмодовая дисперсия здесь практически равна нулю. Дело в том, что в столь малом диаметре можете перемещаться только один луч, поэтому возможность возникновения помех отсутствует.

Многомодовое волокно в диаметре может составлять 62,5 микрона. Здесь большая площадь приема, что позволяет двигаться нескольким лучам одновременно. При этом ввод лучей, как правило, происходит под разными углами, что повышает рассеивание из-за отражения этих лучей от поверхности оболочки. Соответственно, скорость и качество сигнала снижаются, поэтому подобные линии используются для локальных сетей и передачи сигнала между близлежащими строениями.

Многомодовое волокно бывает:

Ступенчатым. Волокно с одинаковой плотностью сердечника на всем протяжении кабеля. Вероятность межмодовой дисперсии здесь выше, а скорость передачи – ниже.

Область применения

Оптическое волокно применяется в любых сферах, где требуется построение телекоммуникационных сетей и проведение технических изысканий с использованием оптических датчиков.

Такие датчики позволяют измерять давление, температуру, расстояние, массу, звуковые волны, ток, магнитное поле, концентрацию газа, дозу радиационного излучения и ряд других физических показателей.

Оптоволокно широко применяется для акустических наблюдений в добывающей промышленности. Специалисты фиксируют звуковые вибрации вдоль нефтепроводов и газопроводов для выявления вероятности аварии или несанкционированного вмешательства.

Ученые-биологи с помощью оптоволокна исследуют поведение животных. Специальные датчики улавливают звуковые сигналы, с помощью которых коммуницируют киты и дельфины.

В качестве световода оптоволокно применяют в медицине для диагностики заболеваний и при эндоскопических операциях. Тонкий гибкий оптоволоконный кабель позволяет разглядеть, что происходит внутри человеческого тела.

Применение оптических волокон не ограничивается сферами науки и техники. Материал используется даже при создании произведений искусств. Оптические световоды выступают частью арт-инсталляций. Также широко применяются в наружной рекламе.

Преимущества оптоволоконного Интернета

Свойства оптоволоконного кабеля обеспечивают превосходство связи в сравнении с кабельными и DSL-технологиями.

Оптоволоконный, или волоконно-оптический кабель — это провод, в основе конструкции которого находятся волоконные световоды, то есть оптоволокно. Информация по нему передается в виде световых фотонов, а не радиоволн. Он практически не восприимчив к помехам, удобен в монтаже и обеспечивает высокую скорость передачи данных.

Классифицируют оптоволокно по материалу изготовления, количеству передаваемых сигналов и способам применения. В зависимости от материала выделяют три вида оптоволоконных кабелей:

стекловолоконные – маркируют GOF (glass optic fiber);
полимерноволоконные – маркируют POF (plastic optic fiber);
со стеклянно-кристаллическим волокном – PCF (plastic crystal fiber).

По количеству передаваемых сигналов (мод) разделяют на:

одномодовые – передают сигнал с одной длиной волны;
многомодовые – передают несколько сигналов с разной длиной волны.

Одномодовые разновидности имеют меньший диаметр сердечника и в основном используются в телефонии. У многомодового оптоволокна более толстый сердечник, оно используется при создании компьютерных сетей.

Типы оптоволокна по месту монтажа:

для наружного применения (подземные, подводные, подвесные);
для монтажа внутри объекта.

По условиям прокладки:

для подвесного монтажа применяют разновидности с кевларом или тросом, если это подвес на линиях электропередачи, применяют вид с молниезащитой;
для подземного монтажа разработан тип с броней из проволоки;
для укладки в специализированной канализации создан тип с гофрированной металлической броней;
для подводного монтажа используют многослойное оптоволокно.

Структура

Существует много вариантов исполнения оптико-волоконного провода для разных целей. Чаще всего он имеет круглое сечение. Самая простая конструкция – это пластиковые трубки с волокнами (сердцевина) в общей внешней оболочке.

Для сложных условий эксплуатации разработаны многослойные модификации. В них особое внимание уделено защите, поэтому к оптоволокну добавлены специальные защитные и упрочняющие элементы.

Оптоволоконный кабель состоит из нескольких слоев

На сегодняшний день выделяют восемь конструкционных слоев оптоволоконного кабеля:

Стеклянные / пластиковые / полимерные волокна. Это основной элемент, через который передается световой поток. Тип волокна можно узнать по названию. Иногда для дополнительной защиты и маркировки волокно покрывают цветным лаком.
Несущий трос. Это элемент центрирования и жесткости. Металлический или стеклопластиковый пруток для защиты покрывается полиэтиленовым слоем.
Защитные пластиковые трубки. Внутри них находятся световоды и гидрофобный гель. В конструкции может быть от одной до нескольких десятков трубок, а в каждой трубке содержится 4–12 оптоволокон.
Пленка-оплетка. Такая пленка нужна, чтобы провод не деформировался, а также для удержания внутри гидрофобного геля, уменьшения внутреннего трения и защиты от влаги. Пленка стягивается нитями, смоченными гидрофобным гелем.
Пленка-влагозащита. Если оптоволокну нужно придать еще большую влагозащиту, используется дополнительная внутренняя полиэтиленовая оболочка.
Броня. Для предохранения от механических повреждений добавляют слой брони из кевлара, проволочной оплетки, гвоздевого железа, стеклопластика или другого прочного материала. Броня используется во всех разновидностях, предназначенных для подземной укладки.
Усиленная влагозащита. Это слой из полиэтилена и гидрофобного геля. Добавляется в модели, предназначенные для подводного монтажа.
Внешний защитный слой. Выполняется из полиэтилена необходимой жесткости, обусловленной условиями эксплуатации.

Для чего нужен оптический кабель

Оптоволокно используют в разных сферах – это:

создание телефонных линий;
прокладка интернет-сетей;
прямая передача сигналов на большие расстояния.

Современные провайдеры и телекоммуникационные компании тянут именно оптоволокно, так как оно по всем ключевым параметрам превосходит аналоги с металлическими проводниками.

Достоинства оптоволокна

Оптоволоконный провод намного легче и компактнее, чем аналог с медным сердечником. Развернутые оптоволоконные сети проще укладывать и масштабировать. Кроме того, за счет них обеспечивается более стабильный и защищенный сигнал. Это возможно из-за таких нескольких особенностей:

Фотоны внутри световодов движутся на скорости близкой к скорости света, что обеспечивает максимально быструю передачу данных со скоростью до 10 Гбит/с.
Оптические данные не чувствительны к радио- и электрошумам.
Информацию сложно перехватить.
Даже при больших расстояниях фиксируются минимальные потери информации.
Расстояние между двумя приемниками может достигать 800 км.

Такие характеристики оптоволокна делают его идеальным вариантом для создания коммуникационных сетей любого назначения.

Оставьте свою электронную почту и получайте самые свежие статьи из нашего блога. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить

В 1966 году ученый и выходец из Китая Чарльз Као Куэн представил миру результаты собственного исследования. Основной посыл его разработок заключался в том, что оптическую связь можно организовать с помощью стеклянного волокна. В своей работе Као представил миру уникальные конструктивные особенности волокна и его материалов. Исследования ученого можно по праву считать основой волоконно-оптических телекоммуникаций сегодняшнего дня. Первое же упоминание термина “оптическое волокно” впервые было использовано в 1956 году компанией NS Kapany из США.

Сегодня технологии волоконно-оптической связи настолько прочно проникли в нашу жизнь, что мы уже не видим в них ничего удивительного и воспринимаем их наличие также, как наличие водопровода в многоквартирном доме. Поэтому в этой публикации хотелось бы подробнее поговорить об оптике и рассказать несколько интересных фактов о технологии, на которой основана современная высокоскоростная связь.

Немного истории

За время истории развития волоконной оптики было проведено множество интересных исследований и экспериментов. Остановим свой взгляд лишь на некоторых из них.

Английский физик Джон Тиндалл провел эксперимент с отражением светового луча в струе воды, описание которого он зафиксировал в своей книге.

Экспериментальная установка Джона Тиндалла

Этот эксперимент при желании может дома поставить любой желающий. Лазерной указкой нужно светить под разными углами в ванной на струю воды из крана. Под определенным углом световой луч будет полностью отражаться в потоке воды.

Аналогичный эксперимент можно произвести и с фонариком. Для этого в прозрачной пластиковой бутылке нужно сделать отверстие сбоку. Пропускаем воду через бутылку и начинаем светить фонарем с противоположной стороны бутылки. Если мы подставив ладонь, то на ней будет отражаться пятно света.

Активные разговоры о волоконных светодиодах начались еще в пятидесятых годах прошлого столетия. Тогда же и начали их делать из разного рода прозрачных материалов. Но прозрачности тех материалов не хватало для хорошей проводимости света.

В начале 60-х сначала в СССР, а затем и на Западе ученые приходят к выводу, что светопоглощение стекла сильно зависит от красящих материалов и продуктов разъедания огнеупоров. Экспериментально было доказано, что светопоглощение идеально чистого стекла настолько мало, что лежит за пределами чувствительности измерительных приборов.
В 1966 году группа ученых во главе Чарльзом Куэн Као приходит к выводу, что наиболее подходящим материалом для волоконно-оптической связи будет кварцевое стекло. Уже тогда Као считал, что с помощью оптики можно будет передавать информацию и вскоре этот вид связи заменит передачи сигнала по медным проводам.

Спустя три года Као получил волокно с коэффициентом затухания на уровне 4 дБ/км. Это результат стал первым экземпляром сверхпрозрачного стекла. Еще год спустя компания Corning Incorporated произвела волокна со ступенчатым профилем показателя преломления и достигла коэффициента затухания 20 дБ/км на длине волны 633 нм. Впервые кварцевое волокно пропустило световой луч на расстояние до 2 километров.

Согласитесь в схожем темпе сейчас развивается квантовая передача данных. По чуть-чуть, да понемногу. В качестве экспериментов и коммерческого использования на небольших расстояниях.

Где оптоволокно применяется помимо телекома

Сегодня волокно применяется во множестве отраслей помимо телекома. Это рентгеновские аппараты, где оно обеспечивает гальваническую развязку между источником высокого напряжения и низковольтным управляющим оборудованием. Так персонал и пациенты получают изоляцию от высоковольтной части аппаратуры. Волокно применяют в распределительных устройствах электроподстанций в качестве датчика системы защиты.

Обширно оптические волокна используют в разного рода измерительных системах, где невозможно применять традиционные электроприборы. Например, в системах измерения температуры в реактивных двигателях самолета, в аппаратах МРТ (томографические медицинские аппараты для исследования внутренних органов, в том числе головного мозга) и др. Датчики на основе оптических волокон могут измерять частоту вибраций, вращения, смещения, скорость и ускорение, вращающий момент, скручивание и другие параметры.

Сегодня применяются гироскопы на основе оптического волокна, которые работают на основе эффекта Саньяка. У такого гироскопа нет подвижных частей, что делает его весьма надежным. Несмотря на то что в современных системах навигации используется огромное количество различных датчиков, благодаря которым определяется положение объекта, наиболее независимую систему можно создать лишь на основе волоконно-оптических гироскопов.
Оптика широко применяется в охранной сигнализации. Устроена такая охранная система следующим образом: когда злоумышленник проникает на территорию условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация.

Пример реализации волоконно-оптического гироскопа

Трехосевой волоконно-оптический инерциальный измерительный модуль серии ASTRIX производства фирмы AIRBUS DEFENCE&SPACE; в датчик по каждому направлению встроен LiNb03 модулятор

Волокно активно используется в декоративных целях, как украшение праздников, в искусстве и рекламе.

Постоянно разрабатываются новые типы оптических волокон. К примеру, фотонно-кристаллических световоды. Распространение света в них основано на несколько иных принципах. Такое волокно можно использовать в качестве жидкостных, химических и газовых датчиков. Кроме того его можно применять для для транспортировки мощного излучения в промышленных или медицинских целях.

Уже не в новинку волоконные лазеры с выходной мощностью непрерывного излучения в несколько десятков киловатт. Оружие на основе 6-волоконных 5.5 кВт лазеров еще в 2014 году испытали в американском флоте. Волоконным лазерами режут металл и бетон. Например, установка для резки металла компании IPG Photonics имеет мощность в 100 кВт.

Полным ходом идет разработка оптоволокна, с помощью которого можно было бы передавать энергию лазерного излучения мощность в несколько киловатт. В теории передача излучения мощность 10 кВт по волокну длиной 250 м при диаметре сердцевины 150 мкм считается возможной.

Фотонно-кристаллическое волокно

Также стоит отметить, что сегодня активно разрабатываются многосердцевинные волокна. Их использование позволит значительно увеличить общую пропускную способность ВОЛС.
Волокну уже за пятьдесят, но технология явно не собирается на пенсию. Инновации в сфере оптоволокна появляются регулярно и телеком здесь далеко не единственная отрасль заинтересованная в развитии технологии.

Оптоволоконные кабели - устройство, виды и характеристики

В оптоволоконных кабелях, в отличие от кабелей с медными или алюминиевыми жилами, в качестве среды для передачи сигнала используется прозрачный волоконный световод. Сигнал здесь передается не с помощью электрического тока, а с помощью света. Это значит, что движутся практически не электроны, а фотоны, соответственно и потери при передаче сигнала оказываются пренебрежимо малы.

Данные кабели идеальны в качестве средства передачи информации, ведь свет способен проходить по прозрачному стекловолокну практически беспрепятственно на десятки километров, при этом интенсивность света уменьшается незначительно.

Бывают GOF-кабели (англ. glass optic fiber cable) — со стеклянным волокном, а также POF-кабели (англ. plastic optic fiber cable) — с прозрачным пластиковым волокном. И те и другие традиционно называются оптоволоконными или волоконно-оптическими кабелями.

Устройство оптоволоконного кабеля

Оптоволоконный кабель имеет достаточно простое устройство. В центре кабеля расположен световод из стекловолокна (его диаметр не превышает 10 мкм) облаченный в защитную пластиковую или стеклянную оболочку, обеспечивающую полное внутреннее отражение света за счет разности коэффициентов преломления на границе двух сред.

Получается что свет, на всем своем пути от передатчика к приемнику, не может выйти из центральной жилы. К тому же свету не страшны электромагнитные помехи, поэтому такой кабель не нуждается в электромагнитном экранировании, а нуждается лишь в упрочнении.

Для придания оптоволоконному кабелю механической прочности, применяют особые меры — делают кабель бронированным, тем более когда речь заходит о многожильных оптических кабелях, несущих сразу несколько отдельных световодов. Кабели для подвесного монтажа требуют особого упрочнения металлом и кевларом.

Самая простая конструкция оптоволоконного кабеля — стеклянное волокно в пластиковой оболочке. Более сложная конструкция — многослойный кабель с упрочняющими элементами, например для прокладки под водой, под землей или для подвесного монтажа.

В многослойном броневом кабеле несущий упрочняющий трос изготовлен из заключенного в полиэтиленовую оболочку металла. Вокруг него располагаются светонесущие пластиковые или стеклянные волокна. Каждое отдельное волокно покрыто слоем цветного лака в качестве цветовой маркировки и для защиты от механических повреждений. Пучки волокон облачены в пластиковые трубки, заполненные гидрофобным гелем.

В одной пластиковой трубке может находиться от 4 до 12 таких волокон, в то время как общее количество волокон в одном таком кабеле может доходить до 288 штук. Трубки оплетены нитью, стягивающей пленку, смоченную гидрофобным гелем — для большего демпфирования механических воздействий. Трубки и центральный кабель заключены в полиэтилен. Далее идут кевларовые нити, практически и обеспечивающие многожильному кабелю броню. Потом снова полиэтилен для защиты от влаги, и наконец внешняя оболочка.

Два основных типа оптоволоконных кабелей

Оптоволоконные кабели есть двух типов: многомодовый и одномодовый. Многомодовый стоит дешевле, одномодовый — дороже.

Одномодовый кабель обеспечивает лучам, проходящим по световоду, практически один и тот же путь без существенных взаимных отклонений, в итоге на приемник все лучи приходят одновременно и без искажений формы сигнала. Диаметр световода в одномодовом кабеле составляет около 1,3 мкм, и свет именно с такой длиной волны следует по нему передавать.

По этой причине в качестве передатчика используется источник лазерного излучения с монохроматическим светом строго требуемой длины волны. Именно кабели данного типа (одномодовые) рассматриваются сегодня как наиболее перспективные для коммуникаций на значительные расстояния в будущем, но пока они дороги и недолговечны.

Здесь используется обычный (а не лазерный) светодиод на стороне передатчика (с длиной волны 0,85 мкм), и оборудование получается не таким дорогим как с лазерным источником света, да и срок службы у нынешних многомодовых кабелей дольше. Кабели данного типа не превышают по длине 5 км. Типовое время задержки сигнала при передаче составляет порядка 5 нс/м.

Достоинства оптоволоконных кабелей

Так или иначе, оптоволоконный кабель принципиально отличается от обычных электрических кабелей исключительной помехозащищенностью, что обеспечивает максимальную сохранность как целостности, так и конфиденциальности передаваемой по нему информации.

Электромагнитная помеха, направленная на оптоволоконный кабель, не способна исказить световой поток, да и сами фотоны не порождают внешнего электромагнитного излучения. Без нарушения целостности кабеля невозможно перехватить передаваемую по нему информацию.

Полоса пропускания оптоволоконного кабеля теоретически составляет 10^12 Гц, что не идет ни в какое сравнение с токонесущими кабелями любой сложности. Можно легко передавать информацию со скоростью до 10 Гбит/с на километры.

Сам по себе оптоволоконный кабель стоит не дорого, почти так же, как тонкий коаксиальный кабель. Но основная доля удорожания готовой сети все же приходится на передающее и приемное оборудование, задача которого - преобразовать электрический сигнал в свет и обратно.

Затухание светового сигнала при прохождении через оптоволоконный кабель локальной сети не превышает 5 дБ на 1 километр, то есть почти такое же как у электрического сигнала низкой частоты. При том чем выше частота — тем выраженнее оказывается преимущество оптической среды перед традиционными электрическими проводниками — затухание растет незначительно. А на частотах выше 0,2 ГГц оптоволоконный кабель однозначно оказывается вне конкуренции. Практически возможно довести расстояние передачи до 800 км.

Идеальная гальваническая развязка, наряду с вышеперечисленными достоинствами, позволяет аналитикам прогнозировать, что в сетевых коммуникациях оптоволоконные кабеля вскоре полностью вытеснят электрические, тем более с учетом растущего дефицита меди на планете.

Недостатки оптоволоконных кабелей

Справедливости ради, нельзя не упомянуть и о недостатках волоконно-оптических систем передачи информации, главный из которых — сложность монтажа систем и высокие требования к точности установки разъемов. Микронное отклонения при монтаже разъема способно привести к увеличению затухания в нем. Здесь необходима высокоточная сварка или специальный клеевой гель, коэффициент преломления света в котором аналогичен оному в самом монтируемом стекловолокне.

По этой причине квалификация персонала не допускает снисхождения, необходимы специальные инструменты и высокое мастерство владения ими. Чаще всего прибегают к использованию готовых кусков кабеля, на концах которых уже установлены готовые разъемы требуемого типа. Для разветвления сигнала от оптоволокна, применяют специализированные разветвители на несколько каналов (от 2 до 8), но при разветвлении неизбежно происходит ослабление света.

Конечно, оптоволокно является менее прочным и менее гибким материалом нежели та же медь, и изгибать оптоволокно на радиус менее чем 10 см небезопасно для его сохранности. Ионизирующие излучения снижают прозрачность оптоволокна, усиливают затухание передаваемого светового сигнала.

Оптоволоконные кабели стойкие к радиации стоят дороже обычных оптоволоконных кабелей. Резкий перепад температуры может привести к образованию трещины в световоде. Безусловно, оптоволокно уязвимо и к механическим воздействиям, к ударам, к ультразвуку; для защиты от этих факторов применяются специальные мягкие звукопоглощающие материалы оболочек кабелей.

Читайте также: