+380 44 323 88 88
вул. Маричанська, 18,
м. Київ, Україна, 03040
Написати нам

Навчальний центр DEPS

Волокно на карандаше или Волокно стремится к дому

09 листопада 2011

В статье подробно рассмотрены волокна и оптические кабели нового типа имеющие малые потери на изгибах (типа G.657), специально предназначенные для использования в оптических сетях доступа. Приведены результаты экспериментов с реальными конструкциями, характеризующих различные аспекты их применения.

Волокно на карандаше или Волокно стремится к дому

Как удержать свет

Волокна в двойном черном квадрате

Проводим эксперимент

Куда завернет волоконный изгиб

В последние 2-3 года начинают сбываться самые смелые прогнозы относительно дальнейшего продвижения волоконно-оптических технологий на телекоммуникационных сетях доступа. Реализация концепции FITL (Fiber in the loop, «волокно на абонентской линии») позволяет построить действительно широкополосную, многофункциональную, гибкую, управляемую, надежную сеть доступа, вместо оставшегося в прошлом веке набора абонентских линий, различных типов.

Среди лидеров в этом направлении (Япония, Ю.Корея, США, Франция, Швеция и др.) активно применяется сценарий с набольшей «степенью проникновения волокна» к пользователю — FTTH пассивная оптическая сеть (PON), активная оптическая сеть (AON), 100 Mбит/с Ethernet сеть «точка-точка» (типа E-FTTH) и другие варианты. Всех их объединяет простота реализации, максимальная широкополосность, возможность масштабирования, реальная интерактивность и много других преимуществ. Такая сеть доступа реально позволяет обеспечить предоставление абонентам услуг «triple-play» с заданным качеством.

Однако, как и всякая хорошая идея, она требует материального обеспечения. И если стоимость оптического кабеля уже сравнима с медным малопарным, то затраты на монтаж и измерения, а также стоимость оптоэлектроники (излучатель + фотоприемник) еще способны существенно увеличить стоимость проекта. Причем важным направлением является исследования и разработки, позволяющих не столько уменьшить стоимость отдельных компонентов, сколько привести к улучшению окупаемости проекта в целом. В этом плане показательным является разработка новых технологий в двух направлениях. Во-первых, совершенствуются технологии прокладки кабеля: в канализации, внутри кварталов вне канализации и внутри строений. Некоторые производители также продвигают концепцию микроканалов или трубчатых кабелей, при которой происходит как бы конвергенция понятий кабеля и кабельного канала. Второе направление — это разработка новых типов оптических волокон и кабелей. Эти конструкции призваны наиболее полно обеспечить специфические требования сетей FTTH.

В последнее время именно в этой сфере произошел некий качественный скачок — разработка одномодовых оптических волокон нового типа, чего не наблюдалось уже достаточно давно. Новый класс волокон отличается пониженными потерями на изгибах малого радиуса и предназначен для использования в кабелях оптических сетей доступа.

В сетях FTTH конструкции принципиально важны для волоконно-оптических сетей в многоквартирных домах (MDU, Multiple Dwelling Unit), т.к. здесь присутствуют ограниченные пространства, множество комнат, колонн т.е. мест поворота трассы под углом 90 градусов. Кроме того, в таких домах выше потребность в кроссовых устройствах большой емкости и этажных распределительных боксах. А в сильно разветвленной сети частных и коттеджных строений кабели с малым допустимым изгибом, при прокладке на чердаках и в подвалах, несомненно позволят сэкономить несколько совсем не лишних децибел общего бюджета оптической мощности. (Fibrer to the home, «волокно в квартиру»). В рамках такой архитектуры вполне могут быть использованы самые различные варианты:

Среди ключевых преимущества данного типа волокон разработчики отмечают следующие.

1. Возможно использование в соединительных шнурах при плотном размещении портов и кабельных организаторов. Таким образом, экономится место на оптическом и кроссовом оборудовании в жилых строениях без специальных помещений, улучшается надежность сети в целом.

2. Возможно использование в кабелях, прокладываемых внутри многоквартирных домов или служебных помещениях при прокладке в стесненных условиях. Это упрощает требования к проектированию и монтажу внутренних фрагментов сетей, экономит оптический бюджет линии.

3. Возможно использование в кабелях с малыми геометрическими размерами отдельных волокон или волоконных лент. Это уменьшает стоимость кабеля, экономит полезное сечение кабельных лотков и каналов.

4. Возможность использования во внутренних кабелях при их упрощенном и жестком монтаже с применением скоб. Что сокращает время и затраты на монтаж, снижает требования к квалификации монтажников.

Такие достоинства, несомненно, требуют более подробного рассмотрения принципов функционирования и более подробных технических параметров упомянутых волокон.

Как удержать свет

В декабре 2006 г. вышла новая Рекомендация ITU-T G.657, нормирующая параметры и характеристики одномодовых волокон (ОВ), малочувствительных к изгибам и предназначенных для использования на оптических сетях доступа (СД). Этот нормативный документ отразил технологический прогресс ведущих производителей ОВ в создании упомянутых волокон нового типа BI (Bend insensitive, «нечувствительных к изгибам»). Основной предпосылкой для разработок в данном направлении явился качественный скачок в практическом внедрении концепции FTTH в развитых странах в 2002-2004 годах, а также активное использование оптического Gigabit Ethernet, особенно на магистральных и кампусных (между зданиями) участках сетей. Значительная часть таких инсталляций проводится внутри помещений, где трассы зачастую проходят под прямыми углами, в условиях стесненного пространства используют компактные распределительных устройства. Для сетей большой емкости характерна плотная укладка соединительных шнуров и компактное размещение разъемов в кроссовых панелях. Все эти случаи требуют укладки оптических кабелей и шнуров с маленькими радиусами изгибов. Исследования показали принципиальное преимущество использования ОК, с допустимым радиусом изгиба не более 10 мм и не более 5 мм. В этих случаях могут быть значительно сокращены затраты на прокладку кабелей по реальным трассам, значительно уменьшены размеры кассет и кабельных боксов, допускается более плотное расположение шнуров и разъемов в кроссе.

Проблема уменьшения радиуса изгиба волокна без внесения значительных потерь возникла на телекоммуникационных транспортных сетях еще в прошлом десятилетии, когда стали активно применяться многоволоконные кабели и оптические кроссовые устройства. Эта проблема была решена за счет модификации традиционного ступенчатого профиля показателя преломления (рис. 1а) и разработки волокон с дипрессированной оболочкой (рис. 1б) и уменьшенным диаметром модового поля (рис. 1в). Это позволило нормировать радиус изгиба до 30 мм. Нынешняя же потребность в еще меньших радиусах изгиба также потребовала преобразования конструкции волокна. И здесь возможно несколько вариантов:

1) уменьшение сердцевины и, соответственно диаметра модового поля (MFD, Mode Field Diameter) волокна;

2) уменьшение показателя преломления оболочки (как правило, за счет легирования кварцевого стекла фтором);

3) волокна с несколькими оболочками, с различными показателями преломления;

4) микроструктурированные волокна, с кварцевой сердцевиной и оболочкой с продольными отверстиями.

Рис. 1. Профили показателей преломления одномодовых оптических волокон

а) волокно с традиционным ступенчатым профилем показателя преломления

б) волокно с дипрессированной оболочкой

в) волокно с уменьшенной сердцевиной и, соответственно, уменьшенным диаметром модового поля

г) волокно с уменьшенным показателем преломления оболочки

д) волокно, с кольцевой «траншеей» в оболочке

е) микроструктурированное волокно типа HAF (Holed Assisted Fiber) с уменьшенными потерями на изгибах

Каждый способ имеет свои преимущества, недостатки и нашел свое воплощение в разработках ведущих мировых производителей. При их сравнении, с целью оптимального выбора для определенной задачи необходимо учитывать следующие критерии:

  • реальные величины вносимых потерь на однократных и многократных изгибах волокон нового типа, а также шнуров и кабелей на их основе;
  • вопрос «обратной совместимости», т.е. возможности соединения новых волокон с установленными ранее стандартными одномодовыми волокнами (типа G.652) без существенных потерь;
  • требование небольших потерь при сварном соединении волокон между собой, а также при соединении с помощью механических соединителей.
  • возможность измерения параметров линий на таких волокнах методом обратного рассеяния (рефлектометрия) и другие способы тестирования
  • невысокая стоимость и технологичность производства.

Первое решение задачи, что называется «в лоб» было реализовано в виде волокон с уменьшенной сердцевиной (см. рис. 1в). С уменьшением диаметра модового поля энергия концентрируется в сердцевине и меньше распространяется в оболочке. Соответственно меньшая ее часть будет преобразовываться на изгибах в моды оболочки. Этот способ достаточно просто реализуется технологически, однако возникает вопрос несовместимости с традиционными волокнами G.652, имеющими больший диаметр модового поля и меньшую длину волны отсечки. Кроме того, в разъемных соединениях таких волокон будут несколько большие потери из-за сложности стыковки малых MFD.

Волокна с увеличенной разностью показателей преломления также легко реализуемы за счет легирования оболочки фтором, понижающим показатель преломления оксида кремния (рис. 1г). Такие волокна должны стыковаться между собой без больших проблем, но возникнут существенные потери при стыковке (и в разъемах и при сварке) с наиболее распространенными волокнами G.652 из-за разности числовых апертур. Увеличение разности показателей преломления также ухудшает некоторые параметры передачи волокон, в частности увеличивает материальную дисперсию в диапазоне длин волн больше 1310 нм.

Наиболее удачной сейчас считается разработка с так называемой кольцевой «траншеей» профиля показателя преломления. Часть области оболочки дополнительно легируется присадками, понижающими показатель преломления (рис. 1д). Попросту говоря, кроме границы раздела сердцевина/оболочка мы создаем дополнительный барьер для вывода излучения — границу раздела оболочка/«траншея». Исследования специалистов Corning показали, что чем объемнее «траншея», тем более эффективно удержание поля в волокне и меньше потери на изгибах. При этом разработанное оптическое волокно вполне совместимо с традиционными одномодовыми волокнами со ступенчатым профилем (G.652) и вполне приемлемые потери в сварных соединениях между собой. Конечно, технологически обеспечить геометрические и оптические параметры всех слоев несколько сложнее, чем обычно, что соответственно увеличивает стоимость таких волокон. В принципе, расчеты ученых показали, что при большом количестве «траншей» можно получить на изгибе с радиусом 10 мм потери менее 0,001 дБ! Но, в настоящее время такие решения не будут достаточно экономичными. Кроме того, при дальнейшем увеличении объема «траншеи» или количества слоев увеличивается критическая длина волны, которая может превысить нормируемое значение 1260 нм, т.е. возникнет проблема несовместимости с волокнами ступенчатым профилем G.652.

Три рассмотренные выше конструкции волокон соответствуют требованиям, указанным в Рекомендации ITU-T G.657, таблица А, для которой самое малое нормированное значение радиуса изгиба составляет 10 мм. Следующая же разработка позволяет получать незначительные потери даже при изгибе радиусом 5 мм, что соответствует положениям таблицы В Рекомендации G.657.

Такую возможность предоставляет принципиально новая конструкция с уменьшенными потерями на изгибах — микроструктурированные волокна типа HAF (Holed assisted fiber). Уже рассмотренная выше идея создания двойного защитного барьера здесь исполнена методами нанотехнологий. Вокруг кварцевой сердцевины располагаются два шестиугольных кольца из полых воздушных сквозных отверстий, обеспечивающих полное внутренне отражение на границе раздела кварц/воздух (рис. 1е, 2б). Второй слой нужен для отражения излучения частично проникающего за пределы первой периодической структуры. Исследования показали, что при оптимальном подборе диаметра отверстий d и шага размещения первого и второго слоя L1, L2 (рис. 2) можно получить потери менее 0,1 дБ на изгибе с радиусом до 5 мм!

Рисунок 2а Рисунок 2б

а) общая конструкция

б) поперечное сечение

Рис. 2. Конструкция и принцип действия микроструктурированных волокон типа HAF

На рис. 3 показан механизм удержания излучения на изгибах в микроструктурированных волокнах. К сожалению невозможно производить их традиционными методами. Достаточно сложно обеспечить взаимное расположение всех структурных элементов и их размеров. Несоблюдение внутренней геометрии может даже привести к нарушению одномодового режима. Все это значительно увеличивает удельную стоимость таких конструкций. Также существует серьезная проблема стыковки таких волокон (с диаметром модового поля около 6,4 мкм) со стандартными волокнами G.652. Некоторые проблемы также могут возникнуть при сварке: при сложности сохранения исходной наноструктуры оболочки сердцевина будет согласовываться лучше.

Рисунок 3а Рисунок 3б

а) выход излучения на изгибах волокон G.652

б) удержание излучения на изгибах волокон G.657

Рис. 3. Действие стандартных одономодовых волокон и микроструктурированных волокон типа HAF на изгибе

Тем не менее, такие волокна производятся мировыми лидерами в области волоконной оптики и доступны для каких-либо специальных применений.
За последние годы все традиционные лидеры отрасли, а также некоторые молодые компании внесли свой вклад в разработку волокон нового типа (Табл. 1). Однако существуют некоторые различия параметров (Табл. 2), характеризующие особенности каждого разработчика. Хотя в целом, по основному параметру — потерям на изгибах с малым радиусом, они все удовлетворяют техническим потребностям сетей FTTH.

Таблица 1. Основные производители ОВ малочувствительных к изгибам и торговые марки таких волокон

Производитель

Марка ОВ

Fujikura

FutureGuide-SR15E

Corning

ClearCurve

OFS

AllWave Flex

Sumitomo

PureAccess PA

Prysmian (бывший Pirelli)

CasaLight

Samsung

WidePass Bendfree

Sterlite (Индия)

BendLite

Draka Comteq (объединение Alcatel-Lucent)

Bend Bright

Следует помнить, что новые типы волокон просто удерживают свет в сердцевине и обеспечивают минимальный вывод излучения при изгибных нагрузках, но вовсе не защищают волокна от таких нагрузок. Механическую прочность волокон обеспечивают собственное защитное покрытие и конструкция оптического кабеля. Именно кабель является физическим элементом, обеспечивающим работу волокон любого типа в заданных условиях эксплуатации.

Таблица 2. Основные параметры ОВ, с уменьшенным затуханием на изгибах

Параметр (характеристика) Тип волокна, в соответствии с Рекомендациями ITU-T

G.657A

G.657B

Draka
Bend Bright

Prysmian
CasaLight

Sumitomo
PureAccess PA

Диаметр модового пятна на длине волны:
1310 нм;
1550 нм


8,6...9,5 ±0,4


6,3...9,5 ±0,4

8,5…9,3
9,4…10,4

8,4±0,4

8,6±0,4

Максимальные потери на макроизгибе, дБ,

10 витков радиусом 15 мм, на длине волны:
1550 нм;
1625 нм

0,25
1,0

0,03
0,1

0,03
0,1

0,05
0,5

0,25
1,0

1 виток радиусом 10 мм, на длине волны:
1550 нм;
1625 нм

0,75
1,5

0,1
0,2

0,1
0,2

0,5

0,75
1,5

1 виток радиусом 7,5 мм, на длине волны:
1550 нм;
1625 нм


0,5
1,0

0,5
1,0



Длина волны нулевой дисперсии, мкм

1300–1324

1300–1420

1300–1324

1302–1322

1300–1334

Наклон хроматической дисперсии вблизи нулевого значения, пс/(нм2 × км)

0,092

0,1

0,092

0,089

0,092

Максимальный коэффициент затухания, дБ/км, в диапазоне

длин волн:
1310 нм
1383 нм
1550 нм
1625 нм

0,4
0,4
0,3

0,5

0,3
0,4

0,33...0,35
0,32...0,35
0,19...0,20
0,19...0,21

0,35
0,35
0,21
0,25

0,35
0,31
0,22

Максимальный коэффициент PMD, пс/км½

0,20

0,06

0,10

0,20

Продолжение:

Таблица 2. Основные параметры ОВ, с уменьшенным затуханием на изгибах

Параметр (характеристика)

Тип волокна, в соответствии

с Рекомендациями ITU-T

Sterlite
BendLite

Sterlite
BendLite (E)

Samsung
WidePass
Bendfree

Fujikura
FutureGuide
-SR15E

Диаметр модового пятна на

длине волны:
1310 нм;
1550 нм

9,1±0,3
10,5±1,0

8,0±0,4

8,6±0,4
9,6±0,5

8,6±0,4

Максимальные потери на макроизгибе, дБ,

10 витков радиусом 15 мм, на длине волны:
1550 нм;
1625 нм

0,25
1,0

0,03
0,1

0,01*
0,01*

0,5

1 виток радиусом 10 мм, на длине волны:
1550 нм;
1625 нм

0,75
1,5

0,1
0,2

0,05
0,20


1 виток радиусом 7,5 мм, на длине волны:
1550 нм;
1625 нм

0,5
1,0

0,5
1,0



Длина волны нулевой

дисперсии, мкм

1304–1322

1300–1322

1300–1324

1300–1324

Наклон хроматической

дисперсии вблизи нулевого значения, пс/(нм2 × км)

0,090

0,092

0,095

0,092

Максимальный коэффициент затухания, дБ/км, в диапазоне

длин волн:
1310 нм
1383 нм
1550 нм
1625 нм

0,34

0,20
0,23

0,35

0,21
0,23

0,35
0,33
0,21
0,24

0,35
0,31
0,21
0,23

Максимальный коэффициент PMD, пс/км½

0,20

0,20

0,10

0,20

в начало

Волокна в двойном черном квадрате
Применяемые на сетях FTTH конструкции оптических кабелей (ОК) могут достаточно сильно отличаться в зависимости от конфигурации сети и условий прокладки таких кабелей. Например, при обеспечении пользователей частных домов или коттеджей чаще используются ОК с небольшим количеством волокон: подвесные — на внешнем («уличном») участке малогабаритные негорючие рис. 4). В многоквартирные дома ОК, как правило, прокладываются в кабельной канализации. Далее все зависит от схемы. При системе FTTB (Fiber to the Building, волокно к строению) применяются маловолоконные (Small Count) кабели, а, при собственно FTTH, наоборот — кабели большой емкости (по количеству абонентов). — внутри помещений.

Рис. 4. Схема применения оптические кабелей на сетях доступа

С учетом различных условий использования и технические требования к кабелям оптических сетей доступа будут отличаться. В частности, подвесные кабели должны иметь большую прочность к растягивающим усилиям, хорошую защиту от попадания влаги, влияния ультрафиолета, стойкость к сильным перепадам температур, раздавливающим и ударным нагрузкам, конструкцию удобную для крепления на опорах.
ОК для прокладки в каналах кабельной канализации должны обладать хорошей защищенностью к растягиванию, кручению, образованию петли, раздавливанию. Конструктивно ОК должен быть защищен от попадания влаги и возможного повреждения грызунами. Внутренние ОК должны быть гибкими, защищенными от некоторых растягивающих, ударных, раздавливающих нагрузок, удобными при прокладке и монтаже, неподверженными распространению пламени (негорючая оболочка), отличаться малыми габаритами и весом. Рассмотрим далее наиболее характерные и удачные конструкции ОК, разработанных для оптических сетей доступа лидерами кабельной промышленности — компаниями Commscope, Corning Cable System, Draka Comteq, Alkoa Fujikura, OFS, Prysmian, Sumitomo и Hitachi Cable.

На большинстве участков FTTH традиционно используются кабели с трубчатым сердечником (UniTube, Central Tube, LightPack и т.п). Такие конструкции обычно имеют до 12 волокон, малые габариты и вес, небольшую стоимость, стойкость к изгибным и крутящим нагрузкам. Если не учитывать дополнительные конструктивные элементы, то к непринципиальным недостаткам можно отнести слабую защищенность от растягивающих нагрузок (из-за отсутствия центрального силового элемента), раздавливающих воздействий и атак грызунов (из-за малого диаметра кабеля).
Рассмотрим конкретные применения такой конструкции в различных условиях.

Для воздушных (подвесных кабелей) характерна конструкция с встроенным несущим тросом типа «восьмерка» («Figure 8») или самонесущие диэлектрические кабели без металлических элементов (ADSS) с периферийными силовыми элементами из арамидных нитей (см. Рис.5) обычно с модульным сердечником (типа Loose Tube). Но, вследствие значительного относительного удлинения арамидных нитей в кабелях ADSS чаще используется более прочная к растяжению модульная конструкция сердечника. Первая конструкция достаточно проста, удобна для подвеса (зажим крепится к несущему тросу), не дорога, хорошо защищена от растягивающих усилий (которые прикладываются к тросу), однако наличие металлического элемента требует мер предосторожности по защите от наведенных токов молнии при обслуживании кабеля (заземление). Полностью диэлектрическая конструкция конечно не подвержена электромагнитным воздействиям, а наличие арамидных волокон придает ОК отличную защищенность при растяжении и гибкость.
Тем не менее, его стоимость и необходимость применения специальных зажимов делают его неконкурентоспособным для малобюджетных сетей.

типа «восьмерка»
типа ADSS

а) типа «восьмерка»

б) типа ADSS

Рис. 5. Примеры конструкций подвесных кабелей для оптических сетей доступа

Для прокладки в кабельной канализации на сетях FTTH часто используются кабели модульной конструкции (Loose Tube). В ОК трубчатой конструкции, как правило, используется гофрированная броня для защиты от грызунов и случайных ударов, а также периферийные силовые элементы в виде двух стальных стержней, к которым прикладывается растягивающая нагрузка при затягивании в канал (рис. 6а). При вводе в здание таких кабелей должна использоваться оболочка из негорючего материала — поливинилхлорида (PVC) или малодымного безгалогенного пластиката LSZH (Low Smoke Zero Halogen).

ОК для прокладки в кабельной канализации и внутри помещени
для прокладки внутри помещений
для прокладки внутри помещений (плоский)

а) ОК для прокладки в кабельной канализации и внутри помещени

б) для прокладки внутри помещений

в) для прокладки внутри помещений (плоский)

Рис. 6. Примеры конструкций ОК FTTH для прокладки в кабельной канализации и внутри помещений

Для прокладки в пластиковых субканалах канализации, а также подвалах, чердаках и внутренних каналах и стояках зданий удачной является конструкция показанная на (рис. 6б). При всей легкости и гибкости такого ОК, он обладает достаточной защитой от механических повреждений и главное — от грызунов. Это обеспечивается наличием достаточно толстого слоя стекловолоконных лент. Альтернатива в виде повива арамидных нитей выходит более дорогостоящей и не служит надежной защитой от мышиных зубов. В качестве наружного покрова здесь также используется не поддерживающий горение пластикат LSZH.
Аналогичное применение имеет плоский маловолоконный кабель, показанный на (рис. 6в). Он имеет хорошую механическую защиту за счет встроенных стальных проволок (вместо которых могут применяться и стеклопластиковые стержни), однако может вызвать некоторые неудобства при прокладке и монтаже.

В помещениях пользователей традиционно используются одно- и двухволоконные конструкции типа круглого и чечевицеобразного сечения (Zip-cord), «двустволка» (Shot-gun) и другие (рис. 7). Защита от возможных ударов, рывков, изгибов и надавливаний в процессе прокладки и эксплуатации обеспечивается слоем арамидной пряжи, что делает такие ОК достаточно дорогими. Но, такие кабели обычно применяются на коротких участках — от распределительного или кроссового оборудования до оконечного оптического оборудования.

конструкция круглого сечения
«чечевицеобразная» конструкция

а) конструкция круглого сечения

б) «чечевицеобразная» конструкция

двустволка
плоская конструкция

в) конструкция «двустволка»

г) плоская конструкция

Рис. 7. Примеры конструкций оптических кабелей для прокладки внутри помещений

Для многоволоконных решений в пределах помещений в последнее время активно используется развивной кабель (breakout cable) (рис. 8). Такой ОК содержит в своей конструкции один или несколько повивов оптических волокон в плотном буфере, свитых вокруг центрального силового элемента, а свободное пространство сердечника содержит упрочняющие элементы из арамидных нитей. В процессе прокладки такого кабеля, при необходимости ответвления, его конструкция легко разделывается и необходимое число волокон, играя роль малогабаритных кабелей, отводится в нужном направлении. К сожалению, множество защитных элементов и немалые габариты кабеля определяют его достаточно большую стоимость, которая не всегда оправдывает его применение.

Следует сказать, что в этом разделе умышленно не рассмотрены многоволоконные оптические кабели сетей доступа ленточного типа (с трубчатыми, модульными и профилированными сердечниками) из-за их весьма малой популярности на просторах Украины и достаточно отдаленной перспективы широкого их внедрения.

Пример конструкции развивного оптического кабеля

Рис. 8. Пример конструкции развивного оптического кабеля

 

Именно недостатки последних конструкций, а также потребность в наиболее эффективном применении волокон нового типа — с уменьшенными потерями на изгибах — стали предпосылкой для разработки японскими компаниями конструкции типа «двойной квадрат». Такой ОК, точнее ряд его модификаций, был целенаправленно сконструирован для применения на сетях FTTH, что даже отражено в его названии (см. следующий раздел).

Идея этого двухволоконного кабеля заключается в расположении двух волокон в первичном покрытии (245 мкм) между двумя диэлектрическими армирующими элементами в общей оболочке. Все это выглядит как два слитых квадрата со стеклопрутками в перепонке между которыми и уложены волокна (рис. 9а).

Для организации воздушного к первоначальной конструкции органично добавляется несущая стальная проволока. Таким образом, получена классическая, хоть и малогабаритная «восьмерка» (рис. 9в). А, учитывая любовь азиатских производителей к ленточным ОК, конструкция может трансформироваться в «двойной квадрат с волоконной лентой» (рис. 9б, г).

внутренний двухволоконный
внутренний ленточный

а)внутренний двухволоконный

б) внутренний ленточный

подвесной двухволоконный
подвесной ленточный

в) подвесной двухволоконный

г) подвесной ленточный

Рис. 9. Конструкции кабелей FTTH типа «двойной квадрат»

В чем же еще видят преимущества нового типа кабелей их разработчики? Во-первых, такой кабель можно очень просто и быстро крепить к любой плоской деревянной поверхности (например плинтусу) с помощью степлера. Этому способствует его плоская поверхность, мягкая LSZH оболочка, недоступность волокон в «межквадратной» перепонке, надежность силовых элементов. Во-вторых, малые габариты и вес позволяют легко прокладывать его во всевозможных внутренних каналах, стояках и т.п. В-третьих, канавки между «квадратами» оболочки позволяют очень легко разделывать кабель, буквально разрывая его двумя пальцами рук. В-четвертых, негорючая оболочка из LSZH обеспечивает пожарную безопасность. В-пятых, волокна типа G.657, мягкая конструкция и малые габариты позволяют изгибать кабель с очень маленькими радиусами изгиба, почти под 90 градусов, что часто бывает удобным на реальных трассах. В-шестых, диэлектрические силовые элементы и достаточно большие, по сравнению с маленькой перепонкой, квадраты оболочки хорошо защищают волокна от растягивания, раздавливания, скручивания, удара.

Остается добавить, что «чудо японской техники» имеет все шансы стать популярным и в Украине, естественно, при достаточном развитии сетей FTTH.
Преимущества последней конструкции ОК достаточно очевидны, так же как и достоинства волокон типа G.657, для которых она разработана. Однако авторы этой статьи не удовлетворились описаниями японских разработчиков и решили самостоятельно придумать и осуществить ряд испытаний для проверки столь необычных свойств новых оптических компонентов.

в начало

Проводим эксперимент
Для проверки свойств волокон с уменьшенным затуханием на изгибах и кабелей с такими волокнами для сетей FTTH специалисты технического отдела компании ДЕПС провели ряд экспериментов. Основной целью этих работ являлось подтверждение на практике свойств таких волокон (в соответствии с критериями, указанными во втором разделе), выявление преимуществ и недостатков использования в реальных условиях кабелей и шнуров с такими волокнами.

Для начала были проверены потери на изгибах шнуров (патч-кордов, пигтейлов) с волокнами G.657 и G.652 для сравнения.

Опыт 1. Намотанные на оправку диаметром 10 мм два шнура с волокнами в плотном буфере 0,9 мм подсвечивались красным источником с длиной волны 650 нм оптического излучателя MULTITEST МТ3108. На рис.10 видно яркое свечение (т.е. вывод излучения из сердцевины) для волокон типа G.652. Численные измерения на длине волны 1310 показали 0,6 дБ и 0,08 дБ для волокон G.652 и G.657 соответственно.

Витки волокон типов G.652 и G.657 на оправке

Рис. 10. Витки волокон типов G.652 и G.657 на оправке

Опыт 2. На туже оправку поочередно было намотано по 5 витков соединительных шнуров (патчкорды) диаметром 3,0 мм (волокно в плотном буфере, арамидные волокна, ПВХ оболочка) с волокнами указанных типов. По схеме указанной на рис. 11 были замерены дополнительные потери, вносимые изгибами с помощью источника излечения MULTITEST М3108 и оптического измерителя мощности MULTITEST М1116С. Для традиционных одномодовых волокон результат (7,8 дБ) был значительно большим, чем для волокон с уменьшенным затуханием на изгибах (0,2 дБ).

Рис. 11. Схема измерения потерь вносимых изгибами на оправке

Опыт 3. В распределительный оптический микро-бокс типа FOB-DM с кассетами малого размера S037 был введен двухволоконный кабель марки FinMark FTTH002-SM-02 с волокнами малочувствительными к изгибам и два одноразъемных соединительных шнура (пигтейла) с волокнами типов G.652 и G.657. Оба волокна кабеля были сварены с волокнами пигтейлов, места сростков защищены стандартными 60 мм гильзами, а запас волокон и шнуров уложен в кассете. При подсветке сростков красным источником излучения (с длиной волны 650 нм) прибора MULTITEST МT3108 хорошо видно, что при выводе из защитной гильзы явно подсвечивается изгиб пигтейла с волокном типа G.652 (рис. 12). Это связано с тем, что вследствие малого размера кассеты изгиб между этим волокном в гильзе и волокном, уложенным в кассете, имел радиус кривизны примерно 20 мм. Дополнительные потери в этом месте составили примерно 0,2 дБ. В то же время видно, что три волокна типа G.657 не подсвечены, а измерение оптическим измерителем мощности MULTITEST МT1116C не выявило в местах изгибов каких либо потерь.

укладка сростка волокон

Рис. 12. Укладка сростка волокон типов G.652 и G.657 в кассете мини-бокса

Также был проведен ряд экспериментов по сварке волокон в пониженной чувствительностью к изгибам между собой и со стандартными одномодовыми волокнами типа G.652D. Значения потерь на сварке предполагалось оценивать с помощью собственной программы тестирования сварочного оборудования с помощью боковой подсветки (метод PAS) и с помощью оптического рефлектометра Radiantech UFO-320.

Опыт 4. На сварочном аппарате Fujikura FSM-60S было проведено 20 сварок волокон G.657 из кабеля FinMark FTTH002-SM-01 между собой в различных режимах. Наиболее типичные значения потерь на сростках определенные FSM-60S находятся в диапазоне 0 – 0,02 дБ (рис. 13а). При этом эмпирически было определено, что наиболее удачными являются два режима автоматического определения аппаратом типа волокон (и соответственно режима сварки): «Auto» и «Auto SM».

Также на этом же оборудовании было проведено 20 сварок разных волокон (типа G.652D и G.657). В этом случае FSM-60S показывает в среднем несколько большие значения потерь (рис. 13б), но в целом не более 0,02-0,04 дБ. В этом случае также удобно пользоваться режимами «Auto» или «Auto SM».

а) сварка волокон «G.657 – G.657»

б) сварка волокон «G.657 – G.652»

Рис. 13. Распределение потерь на сварных соединениях однотипных и разнотипных волокон

Таким образом, однотипные и разнотипные сварные соединения методами геометрической оптики характеризуются как очень качественные.
Следующие испытания были связаны с оценкой возможности тестирования оптической линии с волокнами нового типа методом обратного рассеяния.
Опыт 5. Была составлена схема для оценки потерь в сварных соединениях методом обратного рассеяния, а также проверки возможности тестирования волокон с малыми потерями на изгибах оптическим рефлектометром (рис. 14). Для уменьшения влияния «мертвой зоны» в схеме использовалась вспомогательное волокно типа G.652D в кассете длиной 200 м. Такое же волокно использовалось в соединительных шнурах (патчкордах и пигтейлах). Тестовый образец кабеля FinMark FTTH002-SM-01 длиной 40 м содержал два волокна типа G.657. Для уменьшения отражений от разъемов использовались конекторы типа APC. Рефлектометр UFO-320 тестировал собранную линию на длине волны 1550 нм, длительность импульса — 10 нс, диапазон расстояний: 0 – 6 км, интервал накопления — 5 мин.

Рис. 14. Схема тестирования оптическим рефлектометром линии с волокнами типа G.657

Примеры рефлектограмм показаны на рис.15. По результатам рефлектометрических измерений можно сделать следующие выводы:

а) потери на сварке «G.657 – G.657» (точка 1 на рис.14) очень малы (0,01 – 0,03 дБ) и практически не различимы на уровне шумов рефлектограммы;

б) потери на сварках «G.657 – G.652D» (точки 2 и 3 на рис.14) достаточно малы и не различимы на рефлектограмме с учетом отражений от ближайших разъемов;

в) рефлектограмма линии после места сращивания волокон различных типов показывает некоторое возрастание уровня отраженного сигнала вследствие разности диаметров модового поля и числовых апертур в волокнах разного типа.

Последний эффект может привести в процессе тестирования к неверной оценке потерь на сростках. Однако, если это принципиально важно, то проблема может быть решена повторным измерением с противоположного конца. Достаточно важны практический аспект прокладки кабеля с волокнами нового типа в стесненных условиях, был воспроизведен нами в следующем опыте.

Рис. 15. Рефлектограмма участка линии, включающего волокнами с уменьшенными потерями на изгибе

Опыт 6. Кабель конструкции FinMark FTTH002-SM-01 был проложен в кабельном канале малого сечения (5×8 мм) вдоль косяка двери офисного помещения с поворотом трассы под углом 90 градусов. Проложенный кабель имел в месте поворота изгиб с радиусом 12–15 мм (рис.16). Набором в составе оптического источника излучения MULTITEST МТ3109 и измерителя мощности MULTITEST МТ1103С были проведены измерения вносимых потерь на длинах волн 1310 нм и 1550 нм в режиме непрерывного измерения (без низкочастотной модуляции). На длине волны 1310 нм детектор колебался в диапазоне 0–0,01 дБ что соответствует уровню его собственных шумов, а на 1550 нм — показал величину 0,02–0,03 дБ. Это соответствует требованиям нормативных документов и позволяет успешно производить практическую прокладку кабеля такого типа.

кабель FTTH

Рис. 16. Кабель FTTH, проложенный в канале с малым радиусом изгиба

Еще один интересный эксперимент должен был дать одновременно представление и об уровне мощности, выводимой на изгибах из соединительных шнуров и о возможностях их тестирования. В этом случае мы использовали идентификатор оптических волокон MULTITEST MT3316. Детектор, работающий на принципе вывода излучения на изгибе, предназначен для определения (точнее для приблизительной оценки) уровня оптической мощности и ее направления в соединительных шнурах (патчкордах, пигтейлах) и имеет для этого набор сменных головок.


Опыт 7. Оптическими соединительными шнурами с диаметрами 0,9 мм и 3 мм и волокнами типов G.652 и G.657 соединялись напрямую источник излучения MULTITEST МT3109 и оптического измерителя мощности MULTITEST МT1106С. Посредине участка шнур без снятия покровов вводился в идентификатор MULTITEST MT3306A. При этом использовались длины волн 1310 нм, 1550 нм и низкочастотная модуляция сигнала: 270 Гц, 1 кГц и 2 кГц. Значение уровня мощности на идентификаторе сверялось со значением на детекторе измерителя мощности. При тестировании шнуров с волокнами G.652 оптический идентификатор четко определял направление передачи, длину волны, частоту модуляции и оптическую мощность даже при наличие в шнуре слоя арамидных волокон (рис. 17а, 17в)! Конечно, определяемый уровень мощности имел достаточно большое отличие от показаний измерителя мощности (± 0,5…2,8 дБ в зависимости от длины волны и частоты низкочастотной модуляции), однако нужно учитывать, что прибор по сути предназначен только для определения наличия сигнала.

При тестировании шнуров с волокнами G.657 картина сильно отличалась (рис. 17б, 17г). Оптический идентификатор постоянно путался с длиной волны, частотой модуляции и даже направлением передачи. Оптическую же мощность он определял с точностью ± 9…32 дБ (если это можно назвать точностью), а на длине волны 1310 вообще не улавливал прохождение излучения! Т.е. можно констатировать, что излучение на изгибе этих волокон было на уровне собственных шумов детектора.

типа G.652
типа G.657

а) тестирование патчкорда 3 мм с волокнами типа G.652

б) тестирование патчкорда 3 мм с волокнами типа G.657

0,9 мм типа G.652
0,9 мм типа G.657

в) тестирование пигтейлов 0,9 мм с волокнами типа G.652

г) тестирование пигтейлов 0,9 мм с волокнами типа G.657

Рис. 17. Тестирование оптических шнуров с помощью идентификатора волокон

Проведенное испытание имеет еще один интересный аспект. В последние годы большое внимание уделяется вопросам защиты информации в корпоративных сетях. Как известно, оптические волокна наиболее удачная, в этом смысле, направляющая система. Вокруг оптического кабеля, в отличие от медных, не возникает электромагнитное поле, вызванное прохождением сообщений. Тем не менее, есть возможность снятия сигнала с волокон в кабеле контактным способом — на изгибе. Так вот, результаты последнего эксперимента позволяют сделать вывод о том, что контактный съем информации с волокон типа G.657 крайне затруднен, а на длине волны 1310 нм — практически невозможен.

в начало

Куда завернет волоконный изгиб
Подводя итоги теоретически исследованиям и практическим экспериментам по исследованию свойств оптических волокон и кабелей нового типа можно сказать, что ОВ G.657 и кабели на их основе — новый технологический прорыв в плане внедрения оптических технологий на сетях доступа (и локальных сетях) и значительного продвижения концепции FTTH. Уже сейчас специализированные кабели на основе таких волокон способны явно улучшить оптических бюджет проектируемых сетей. Притом, что работы по дальнейшему совершенствованию их конструкций продолжаются во всех научных центрах и исследовательских лабораториях крупнейших производителей. Дальнейшее совершенствование микроструктурированных волокон, переход в технологическую фазу разработок волокон с воздушной сердцевиной позволит на порядок улучшить параметры современных конструкций. Дальнейшие разработки волокон типа G.657B могут стать толчком к разработке нового поколения миниатюрных распределительных устройств и кроссовых устройств с повышенной плотностью размещения соединительных компонентов. Что в свою очередь даст толчок для новых технологий.

Однако и существующие конструкции подтвердили на практике очень высокие технические характеристики новых конструкций волокон и кабелей. Эксперименты с образцами оптического кабеля FTTH и оптических шнуров показали отличные результаты по сравнения с G.652 Прокладка по реальным трассам (с изгибами, сжатием, растягиванием и т.д.). Не подтвердились опасения на счет дополнительных потерь при сварке волокон G.657, совместимости с существующими волокнами типа G.652 и проблем с тестированием. Кроме того, при оценке результатов, полученных опытным путем была отмечена дополнительная возможность хорошо обеспечивать защиту информации в оптических кабелях от снятия ее контактным методом.

в начало

Потери излучения на изгибе оптического волокна

Как известно, при распространении света в оптических волокнах используется принцип полного внутреннего отражения лучей от границы раздела сердцевина/оболочка. Принцип соблюдается, если угол падения луча достаточно велик, т.е. свет падает полого к плоскости отражения (рис. А.1). При изгибе волокна с каким-то малым радиусом нарушается угловое условие, и часть излучения уходит в оболочку, где потом и высвечивается.

С точки зрения электродинамики тот же процесс можно объяснить в других терминах. Поле распространяемого излучения, концентрируясь в сердцевине, частично выходит в оболочку (поэтому диаметр модового поля всегда немного больше чем диаметр сердцевины), затухая по экспоненциальному закону. В месте изгиба волокна эта периферийная часть моды распространяется с фазовой скоростью, превышающей скорость света в среде оболочки и, в конце концов, излучается.

Кроме того, происходят частичные потери энергии при переходе от прямолинейного участка к изогнутому и от изгиба к прямому волокну. Это связано с тем, что модовые пятна криволинейного и прямого участков не совпадают, и часть мощности основной моды передается модам оболочки.

а) полное внутренне отражение на прямолинейном участке

б) вывод части излучения на изгибах из-за нарушения углового условия

1 – луч, падающий под углом больше критического

2 – луч, падающий под малым углом

3 – лучи в оболочке

4 – лучи, выводимые из волокна

Рис. А. Потери на изгибах с точки зрения геометрической оптики

а) распространение моды в сердцевине волокна

б) излучение части энергии моды на изгибе

Рис. Б. Потери на изгибах с точки зрения электродинамики

Достаточно интересным моментом является спектральная зависимость потерь на изгибах. Как известно, в стандартных одномодовых волокнах типа G.652 с ростом длины волны затухание на изгибах явственно увеличивается (рис. В, верхняя кривая). Это объясняется тем, что, чем дальше от длины волны отсечки (1260 мкм) проходящее излучение, тем больше оно выходит в оболочку, увеличивая диаметр модового поля (рис. Г). Кстати, именно поэтому при проблемах эксплуатации оптического кабеля, связанных с возможными деформациями волокон, их лучше тестировать на длинах волн 1550 нм и 1625 мкм.

Практическое исследование величины потерь на изгибе волокон типа G.657, выполненное специалистами компании OFS, показало крайне слабую зависимость от длины волны (рис. В, нижняя кривая), что очень удобно, например, для систем с различного типа спектральным уплотнением.

Рис. В. Сравнение спектральных зависимостей вносимых потерь на изгибе (1 виток, Ǿ 15 мм) волокон двух типов

Рис. Г. Зависимость модового поля от длины волны

Что касается качества разъемных соединений, то чисто теоретически некоторое уменьшение диаметра модового поля и более сложный многослойный профиль волокон с уменьшенным изгибом должны были бы усложнить стыковку таких волокон. Однако испытания, проведенные специалистами компании ADC, показали, что основные параметры (вносимые потери IL и потери на отражение RL) разъемов, использующих волокна типа G.657, практически не отличаются от разъемов с волокнами типа G.652. Это говорит о малых допусках и высоком уровне соблюдения геометрических характеристик ОВ.

 

Александр ПЕТРЕНКО, Юрий НИКИТЧЕНКО, Богдан ВАСИЛЕНКО, Александр БЕДА

Отдел волоконно-оптических технологий и кабельных сетей, компания "ДЕПС"

В начало

Следите за последними новостями компании DEPS и телекоммуникационного рынка на нашем Telegram канале: Telegram

0 SELECT i.id iid, i.name, i.elements img, i.`publish_up` AS modified, c.id cid FROM `vjprf_zoo_item` i LEFT JOIN `vjprf_zoo_tag`t ON t.`item_id` = i.`id` LEFT JOIN `vjprf_zoo_category_item` ci ON ci.`item_id` = i.`id` LEFT JOIN `vjprf_zoo_category`c ON ci.`category_id`=c.`id` WHERE t.`name` IN ('') AND i.`id`<>20469 AND c.id >0 AND i.`type`='article' AND c.`parent` = 7169 GROUP BY i.`id` ORDER BY `publish_up` DESC LIMIT 0,3
Схожі матеріали
  • Каталог товарів
  • Системна інтеграція
  • Сервіс-центр
  • Послуги
  • Акції