Еще не сказанное о волоконной оптике

Автор: Антон Подчеко
Оригинал статьи >>

Как известно, волоконно-оптический кабель состоит из самих волокон, по которым распространяется сигнал, и элементов конструкции, обеспечивающих защиту волокон от внешних воздействий. О таких элементах и пойдет речь.

В зависимости от условий эксплуатации к конструкции кабеля предъявляются различные требования. Кабель, который используется вне помещений, в первую очередь должен иметь защиту от атмосферных воздействий, таких как солнечный свет, влага, перепады температур. Кабелю, который предназначен для прокладки в кабельных колодцах, необходима защита от грызунов. Если кабель подвешивается между опорами линий электропередач, важна его механическая прочность.

При выборе кабеля основное внимание обычно уделяется двум аспектам. Первый - это пожарная безопасность, необходимость которой возникает, если кабель прокладывается внутри помещений. Второй аспект - это целостность и сохранность световодов при хранении, монтаже и эксплуатации волоконно-оптического кабеля. На каждом из этих этапов кабель подвергается механическим, атмосферным и другим воздействиям, которые могут быть опасны для волокна. Заметим, что здесь речь не идет о физическом разрушении оптического волокна.

Какова же конструкция внешней оболочки кабеля, которая обеспечивает первичную защиту оптических волокон от разрушающих воздействий?

Оболочка кабеля

Чаще всего материалом, который используется для изготовления наружной оболочки волоконно-оптических кабелей, является полиэтилен. Он обладает и отличными физическими параметрами (большая прочность, хорошая износостойкость, неподверженность ультрафиолетовому излучению, окислению и другим химическим воздействиям), и хорошими диэлектрическими свойствами. Полиэтилен имеет неплохую сопротивляемость проникновению влаги, низким и высоким температурам, а также обладает способностью не изменять свои физические свойства под воздействием перепадов температуры окружающей среды.

Оболочки волоконного кабеля различаются по плотности используемого полиэтилена. Самым прочным материалом является полиэтилен высокой плотности - HDPE (High Density Polyethylene). Он используется при изготовлении кабелей для наружного применения, которые непосредственно закапываются в грунт или протягиваются по канализационным трубам. Стоимость такого материала достаточно высока, поэтому он чаще применяется в кабелях с большим количеством оптических волокон. Меньшую стоимость имеет полиэтилен средней плотности - MDPE (Medium Density Polyethylene). Из него изготавливается большинство кабелей, которые при относительно низкой цене отличаются хорошими механическими характеристиками, что обеспечивает достаточный уровень защиты оптических волокон.

Менее прочным является полиэтилен низкой плотности - LDPE (Low Density Polyethylene), который часто используется в конструкции кабелей вместе с полиэтиленом высокой плотности. Например, волоконно-оптический кабель с металлической броней. Его внешняя оболочка может изготавливаться из MDPE-полиэтилена, а дополнительная внутренняя оболочка, которая находится под стальной броней, - из полиэтилена LDPE.

Придать повышенную прочность волоконно-оптическому кабелю можно в том случае, если в качестве верхнего слоя используется полиамид PA (Рolyamide). Это очень подходящий материал для производства кабеля промышленного применения. Полиамид имеет отличную сопротивляемость химическим соединениям, таким как концентрированные щелочи, различные масла, некоторые растворы органических и минеральных кислот. Толщина полиамидной пленки не превышает 0,5 мм. Сама оболочка чаще всего имеет оранжевый или черный цвет.

Несмотря на хорошие механические характеристики, сам полиамид подвержен проникновению влаги и воздействию ультрафиолета. Поэтому, как правило, полиамид применяется как дополнительный элемент конструкции вместе с полиэтиленом. Такой кабель используют для прокладки в кабельных канализациях или пластиковых трубопроводах. Затянуть полиамидный кабель несложно, поскольку коэффициент трения между гладкой оболочкой из полиамида и пластиковым трубопроводом сравнительно низкий. Кроме того, полиамид обладает отличной абразивной стойкостью.

Особое внимание стоит уделить волоконно-оптическим кабелям, оболочки которых отвечают требованиям пожарной безопасности. Основой для изготовления соответствующих оболочек является полиэтилен, а необходимые свойства достигаются путем добавления специальных химических добавок. В описании волоконно-оптического кабеля о наличии таких свойств чаще всего свидетельствует аббревиатура LSZH (Low Smoke Zero Halogen).

Вообще существует немало стандартов, описывающих необходимые свойства кабельных оболочек в соответствии с международными или национальными требованиями техники пожарной безопасности. О них следует рассказать подробнее.

Условие, когда внешняя оболочка кабеля не поддерживает горения (Non propagation of flame) означает, что в случае воспламенения вертикально расположенного кабеля снизу его оболочка не будет способствовать распространению пламени вверх. Однако соответствие данной норме ни в коем случае не гарантирует, что при расположении кабеля, например, в туннелях или трубопроводах огонь не будет распространяться в горизонтальном направлении.

За такую сопротивляемость огню отвечает характеристика, которую можно перевести как "нераспространение пламени" (Non propagation of fire). Если кабель имеет соответствующие характеристики, то это гарантирует, что он сам не станет причиной возгорания или распространения огня (хотя существует немало других источников возгорания).



Отсутствие выделения галогенов и других токсичных соединений при горении обеспечивает необходимые условия для эвакуации персонала и устранения возгорания. Это такие же важные свойства волоконно-оптического кабеля, как и способность не выделять дым под воздействием огня. В таблице ниже приведены основные характеристики оболочки кабеля в соответствии с нормами пожарной безопасности.

Наличие у волоконно-оптического кабеля негорючей оболочки, которая не выделяет галогенов, заметно увеличивает его стоимость, но при прокладывании кабеля внутри помещений, на промышленных объектах, в туннелях метрополитена международные и национальные нормы пожарной безопасности обязывают к применению кабеля именно такого типа.

Защита от грызунов

Когда говорят, что кабель имеет защиту от грызунов, то чаще всего подразумевается наличие металлической брони. Объясняется это тем, что такая броня наиболее эффективна при невысокой стоимости, поэтому именно она нашла наиболее широкое применение. Условно можно выделить несколько типов металлической брони:

• стальная ламинированная лента, которая сгибается вдоль, чтобы ее боковые края находили один на другой. Получается некое подобие трубки, которую для увеличения допустимого сдавливающего усилия еще и гофрируют.
  Такой тип брони часто применяется в волоконно-оптических кабелях общего назначения;
• проволочная броня из стальной оцинкованной проволоки, основное назначение которой - обеспечение большого допустимого усилия на разрыв, а также защита от грызунов. Этот кабель предназначен для вкапывания в грунт. Кстати, использование волоконно-оптического кабеля с проволочной броней является обязательным при построении первичных сетей по российским стандартам.

Для наших широт допустимо применение кабеля и в стальной гофроброне, которая значительно дешевле. Броня в виде диагонально свитой стальной проволоки, но кабели с такой броней, как и кабели с броней из алюминия, меди или другого металла, относятся к оборудованию специального назначения, например, кабель, который прокладывается под водой.


Специальный фиксатор натяжения силовых элементов кабеля и его крепление в монтажной муфте от компании R&M

Иногда необходимо использовать кабель, у которого полностью отсутствуют металлические компоненты. Как же в этом случае обеспечить надежную защиту от грызунов? Существуют волоконно-оптические кабели с так называемой "неметаллической броней". Это подразумевает либо внешний слой из особо прочного диэлектрического материала, например, полиамида толщиной полмиллиметра, либо тонкий слой полипропилена.

Хорошую защиту от грызунов может обеспечить и плотный слой стекловолоконных нитей (не путать с нитями из кевлара), которые выполняют также роль силовых элементов. Однако при изгибе кабеля трубка с оптическими волокнами может выйти из слоя продольно-натянутых стекловолоконных нитей, что ставит под угрозу защиту волокна. Этого можно избежать, если стекловолоконные нити закручены в спираль или даже переплетены вместе - таким образом степень защиты повышается.

Все эти способы защиты от грызунов основываются на тех особенностях конструкции волоконно-оптического кабеля, которые помогают усилить его механическую прочность. Существует и другой способ, который базируется на добавлении специальных химических компонентов во внешнюю оболочку (у нас нечасто можно встретить такой тип кабеля из-за его высокой стоимости). Построение волоконно-оптических каналов связи требует значительных капиталовложений, поэтому, начиная с этапа проектирования, необходимо свести до минимума те факторы, которые могут снизить надежность линии передачи. При этом защита от грызунов является составной частью задачи по обеспечению стабильной работы волоконно-оптического канала связи. Это актуально и при вкапывании кабеля в землю, и при прокладке в канализациях или туннелях метрополитена.

Конечно, можно изготовить волоконно-оптический кабель, в котором бы предусматривались все перечисленные виды защиты от грызунов. Однако кабелю необходимо обладать и другими качествами, такими как пожаробезопасность, небольшой вес или отсутствие металлических компонентов. Стоимость здесь также играет не последнюю роль. Поэтому в кабеле чаще реализуются один или два способа, которые бы в большей степени обеспечивали защиту от грызунов.

Усиливающие элементы

Для увеличения допустимого растяжения волоконно-оптического кабеля в его конструкцию обязательно вводят силовые элементы. Величины допустимого растяжения в 1000-2000 Н (ньютонов) можно достичь с помощью использования кевларовых или стекловолоконных нитей. Как правило, этого показателя бывает вполне достаточно для кабелей общего назначения. Нити могут образовывать плотный слой, а могут и переплетаться. Считается, что кевларовые нити обеспечивают большее допустимое усилие на разрыв. Однако стекловолокон-ные нити еще и защищают от грызунов и являются барьером для распространения горения.

Иногда параллельно с кевларовыми нитями применяют один центральный или пару боковых стержней. Дополнительные силовые элементы могут быть диэлектрическими или металлическими. Конструкция с центральным силовым элементом характерна для кабеля с большим числом волокон, которые группами размещаются вокруг силового элемента.

Высокое допустимое усилие на разрыв в специальных типах кабелей, в которых эта величина должна иметь значение десятков килоньютонов, достигается с помощью стальных прутьев. В таких кабелях оптические волокна чаще располагаются не в термопластиковых, а в стальных гелеза-полненных трубках.

Есть еще одна функция, которую могут выполнять кевларовые и стекловолоконные нити в кабелях. Это так называемый "эффект памяти". Основным компонентом внешней оболочки волоконно-оптического кабеля является полиэтилен, который поставляется на производство в гранулах. После термической обработки получается однородная масса, из которой и вытягивается в виде трубки оболочка кабеля.

С течением времени происходит усадка полиэтилена. Он сжимается, стремясь принять первоначальную форму, обусловленную своим молекулярным строением. В результате происходит продольное смещение внешней оболочки кабеля относительно свободно размещенных гладких трубок, в которых расположены волокна. При этом внешняя оболочка сжимается, освобождая на концах кабеля участки термопластиковых трубок, которые могут повредить оптические волокна внутри разделочной муфты или коробки. Такую усадку можно предотвратить, если скрученные под внешней оболочкой кабеля кевларовые нити закрепить на специальном креплении муфты (рис. слева). Это явление нужно учитывать, когда кабель свободно укладывается километровыми отрезками, например, в грунт.

Механические характеристики кабеля

А теперь поговорим о механических характеристиках волоконно-оптического кабеля. Эти характеристики отображают то, как волоконно-оптический кабель реагирует на механические воздействия: растяжение/сдавливание, изгиб и кручение. В результате изменения температуры окружающей среды происходит естественное увеличение или уменьшение длины кабеля. Поэтому в группу этих характеристик также входит температурный диапазон, в котором можно хранить, эксплуатировать и монтировать кабель.

В таблице внизу приведен основной перечень механических характеристик, которые можно встретить в техническом описании волоконно-оптического кабеля, и указаны соответствующие разделы стандартов, в которых описаны методики их измерения.



В таблице также представлены русскоязычные названия параметров кабеля, которые отражают их практическое значение. Кстати, за небольшим исключением, почти все поставщики волоконно-оптических кабелей не перевели на русский язык свою сопроводительную документацию. Это очень затрудняет выбор нужного оборудования и для конечных потребителей, и для системных интеграторов.

В колонках "Пример" и "Критерий оценки" приведены ориентировочные значения параметров волоконно-оптического кабеля, которые можно встретить в технических описаниях. Механические характеристики волоконно-оптических кабелей специального назначения здесь не рассматриваются.

Величина допустимого продольного растяжения (Tensile performance) характеризует максимальное усилие, которое можно приложить в продольном направлении кабеля и при котором не произойдет изменение характеристик оптического волокна. При растяжении кабеля в первую очередь происходит воздействие на саму оболочку, и только потом - на оптическое волокно.

Пример зависимости растяжения волокна и кабельной оболочки от прилагаемого усилия приведен на рисунке справа внизу. Из него видно, что при растяжении кабеля с силой, меньшей 1,5 кН, натяжения оптического волокна не происходит. Это граничное значение и указывают как предел прочности на разрыв.

Почему не сразу происходит растяжение оптического волокна? Длина волокна в кабеле превышает длину его оболочки - световоды свободно располагаются в гелезаполненной трубке в виде спирали (рис. а). При растяжении кабельной оболочки волоконная спираль распрямляется (рис. б), при сжатии - наоборот, сжимается (рис. в).

Поэтому, когда прикладывается растягивающее усилие к оболочке, световод сначала распрямляется и только потом начинает удлиняться сам. По некоторым критериям растяжение оптического волокна на величину до 0,5% также является допустимым, и тогда пределом прочности на разрыв кабеля по тому же рисунку можно считать уже 2 кН.

Иногда указывают два значения предела прочности на разрыв: кратковременное и длительное. Говоря о данной характеристике волоконно-оптического кабеля, важно заметить, что речь не идет о физическом разрыве кабеля или даже самого волокна.

Относительно такой характеристики, как сдавливающее усилие (Crush), потребители иногда заблуждаются, что может быть вызвано как недостатком знаний, так и неправильным ее определением со стороны продавцов волоконно-оптических кабелей. Часто данную характеристику путают с предельной прочностью на разрыв. На самом деле сдавливающее усилие характеризует допустимую силу, с которой можно сдавить в поперечном направлении кабель при условии, что величина затухания в волокне останется в пределах нормы. Так как размер тестового пресса равен 100 мм, в качестве единицы измерения сдавливающего усилия часто применяют величину давления, измеренную в кН на 100 мм.

Ударная нагрузка (Impact) характеризует защищенность кабеля от ударов. Например, ударная нагрузка, равная 2 Нм, означает, что при свободном падении на кабель груза массой 2 кг с высоты 100 мм параметры оптического волокна не изменятся. Такое испытание проводится минимум три раза.

Максимальный изгиб кабеля (Cable bend) является еще одним важным параметром, который характеризует предельно допустимый радиус кривизны укладки кабеля. Его необходимо учитывать, когда речь идет о прокладке волоконно-оптического кабеля, например, в трубопроводах или кабельных каналах. Величина минимально допустимого радиуса изгиба часто находится в пределах 15-20 диаметров от внешней оболочки кабеля. Если пренебречь этим параметром, может нарушиться целостность световодов в кабеле.

Кручение (Torsion) определяет способность оболочки кабеля обеспечивать защиту волокна при скручивании оболочки вокруг своей оси. Для кабеля с металлической броней допустимый угол скручивания меньше, чем для кабеля без брони.

Параметры температурного цикла (Temperature cycling) определяют стабильность коэффициента затухания волокна при эксплуатации кабеля в различных температурных условиях. Изменение температуры окружающей среды в первую очередь приводит к скручиванию, растяжению или сжатию кабельной оболочки, а это, как уже отмечалось, оказывает влияние на характеристики волокна.
Надо отметить, что в сопроводительной документации на оптический кабель указывается минимальное и максимальное значение эксплуатационной температуры. Согласно методике измерения этого параметра, относительное изменение затухания в волокне в этом диапазоне температур не превышает нескольких десятых дБ/км. Иногда в характеристиках кабеля, кроме данного показателя, указывают еще и диапазоны температур для хранения, монтажа и эксплуатации.


Зависимость растяжения волокна и оболочки кабеля от прилагаемой силы растяжения

Защита от проникновения влаги (Water penetration) является важным параметром для волоконно-оптического кабеля, особенно если он предназначен для применения вне помещений. В лаборатории тестовый отрезок кабеля помещается в воду на глубину около одного метра. Оптические волокна не должны вступить в контакт с водой в течение одних или нескольких суток.


Положение оптического волокна в трубке

Выбор кабеля

Выбрать из всего многообразия предлагаемых на рынке волоконно-оптических кабелей тот, который полностью отвечает поставленной задаче, очень сложно. Во-первых, нужны глубокие познания в этой области, но здесь может помочь квалифицированный дилер или системный интегратор. Во-вторых, сам заказчик порой не может правильно сформулировать исходные данные. В-третьих, исполнителю чаще всего приходится балансировать между техническими характеристиками волоконно-оптического кабеля и его стоимостью.

Последнее условие, пожалуй, самое важное. Не секрет, что уменьшение такого параметра, как допустимая нагрузка на разрыв, снижает стоимость кабеля на 20-30%. Используя внешнюю оболочку из полиэтилена вместо LSZH, можно также заметно уменьшить стоимость. Но стоит ли рисковать ради кратковременной выгоды?

Экономя сегодня, завтра можно потерять доверие конечного пользователя, который вкладывает немалые средства в построение волоконно-оптической линии передачи и надеется на ее стабильную работу в течение многих лет. Конечно, наш рынок информационных технологий еще не совсем готов к тому, чтобы волоконная оптика была в каждом офисе и в каждом доме. Однако нужно уже сегодня закладывать основы цивилизованных и технически грамотных решений.

Так как же защитить инвестиции конечного пользователя? Как ни банально это звучит, необходимо работать только с высококвалифицированным системным интегратором.

Графическое обозначение характеристик кабеля

Залогом успешного продвижения продукта является четкое понимание поставщиками его особенностей и умение объяснить это потребителю. Например, оценить характеристики кабеля можно по прилагаемому к продукту техническому описанию. Здесь, возможно, не стоит знать всю методику определения механических параметров согласно стандарту ЕС 60794-1, но разбираться, что какой параметр обозначает, нужно точно.

Немецкий стандарт DIN VDE 0888 (о котором мы подробно рассказывали в предыдущем номере) дает довольно полную информацию о волоконно-оптическом кабеле. Однако для этого необходимо выполнение двух условий: маркировка кабеля в соответствии с DIN VDE 0888 и наличие таблицы, поясняющей данную маркировку.

Оригинальное решение для указания наиболее важных свойств кабеля предлагает компания R&M. Речь идет об использовании ряда пиктограмм, предоставляющих наглядную информацию о волоконно-оптическом кабеле. Некоторые из таких пиктограмм представлены в таблице ниже.