Загальні відомості

2.1.1 Елементи ВОК. ВОК -устрій, що складається з ВОС та елементів, що їх захищають, зміцнюють і заповнюють ВОК. Це оформлено в конструкцію для заданних умов експлуатації, яка захищає ВОС від зовнішніх впливів і призначена для обмеження області поширення оптичних коливань назовні і передачі потоку світлової енергії виключно в заданому напрямку ОВ. При необхідності ВОК може мати струмопровідні металеві жили для передачі електроживлення. До основних елементів ВОК відносяться:

ВОС-це компоненти ВОК, що складаються з скляних або полімерних ОВ.

Зміцнюючі елементи -нитки СВМ (синтетичний високомодульний матеріал) різних номерів, які або розміщуються в полімерній трубці оптичного модуля, або покриваються полівінілхлоридною оболонкою (тоді цей елемент називається або силовим, або заповнюючим). Кількість і номер ниток СВМ визначається вимогами на розтягування, що пред'являються до ВОК.

Заповнюючі елементи-бавовняні нитки різних номерів для демпфування ОВ в конструкції ВОК.

Полімерні матеріали-різні синтетичні матеріали, які використовуються як внутрішні покриття окремих елементів і як зовнішні покриття ВОК в цілому. До них відносяться такі матеріали, як поліамід, фторопласт, поліетилен, полівінілхлорид, пінопласт і ін.

Металеві елементи-це або мідні (як правило, одножильні) провідники, кількість яких визначається вимогами до ВОК, або сталевий дріт у вигляді джгутів або екранів різних типів, розміщених або усередині ВОК, або поверх полімерної захисної оболонки.

2.1.2 Поділ ВОК по застосуванню.Існуючі ВОК складаються з перерахованих основних компонентів, розділяють на монтажні, об'єктові, міські, зонові, магістральні.

Монтажні -застосовуються для виробництва внутрішньоблочних і міжблочних з'єднань в електронних обчислювальних машинах (ЕОМ) і іншій апаратурі: довжина -0,5…5 м; коефіцієнт загасання ≤100…200 дБ/км; смуга частот -50 МГц·км; тип волокна«кварц-кварц» -«кварц-полімер», (всі із східчастим профілем переломлення); число волокон -будь-яке, що визначається комунікаційними вимогами; діапазон температур -60…70 °С; радіус вигину -5 діаметрів кабелю; кут вигину -360°; радіальний тиск -0,1…0,2 МПа.

Об'єктові -застосовуються для побудови комунікацій усередині різних об'єктів (заводів, фабрик, установ, літаків, кораблів і інших): довжина -сотні метрів; коефіцієнт загасання < 30…50 дБ/км; смуга частот -сотні МГц·км; число ОВ будь-яке, визначається конкретними умовами роботи; розтягуючі зусилля -< 1000…2000 Н; кліматичні і механічні вимоги аналогічні монтажним кабелям.

Міські, зонові -застосовуються для організації зв'язку усередині міст, районів, областей: довжина -200…300 км; ділянка ретрансляції-30 км (з перспективою збільшення до 50…100 км); коефіцієнт загасання <5 дБ/км на довжині хвилі 0,85 мкм; смуга пропускання-1000 МГц·км; число перемотувань -< 400, у тому числі і при –50 °Сз натягненням на кут 90°; число осьових закручувань -<50..100 на кут 360°, зокрема, при –10…–20 °С з натягненням.

Магістральні -застосовуються для організації зв'язку на великих територіях -усередині республік і між ними: довжина ≥ 2500 км; ділянка ретрансляції -50…100 км; будівельна довжина -1–4 км; коефіцієнт загасання -< 0,5 дБ/км на довжині хвилі 1,3 мкм, 0,2 дБ/км на довжині хвилі 1,55 мкм; смуга пропускання -декілька ГГц·км; число волокон -8 і більше; розтягуюче зусилля -декілька тисяч ньютонів; роздавлюючі зусилля -0,5…1 МПа; кліматичні умови, а також умови перемотувань, перегинів і осьових закручувань аналогічні міським кабелям.

2.1.3 Вимоги до ВОК.При конструюванні ВОК виходять з того, що повинна забезпечуватись працездатність волоконних світлодіодів при обумовлених зовнішніх діях і в заданих умовах експлуатації [1]. Це пред'являє до конструкції кабелів наступні вимоги: захист від зовнішнього механічного, кліматичного і іншого виду дій; міцність на розрив або захист ОВ від обривів при розтягуванні; стабільність оптичних характеристик ВОК; простота експлуатації і поточного ремонту ВОК, тобто заміна пошкоджених ділянок кабелю новими; дешевизна; технологічність (простота) виготовлення і велика будівельна довжина. Конструкція повинна забезпечувати захист ОВ від різних зовнішніх дій за допомогою використання силових елементів, скручування ОВ навколо осередини і накладання різноманітних полімерних оболонок. Крім того, конструкція ВОК повинна забезпечувати цілісність його полімерних оболонок, зміцнюючих ниток і інших елементів. У зв'язку з цим розглянемо основні принципи конструювання ВОК.

Захист фізичної тривкості ВОК. В процесі експлуатації ВОК випробовує на собі подовжні розтягуючі, поперечні роздавлюючі навантаження, а також вигини різного радіусу і на різні кути. При цих діях ОВ повинні не тільки залишатися цілими, але і не давати приросту коефіцієнта загасання. З цією метою у ВОК використовують різні зміцнюючі і силові елементи, що оберігають ОВ від руйнування при різних навантаженнях. Силові елементи звичайно розміщуються в центрі ВОК, хоча можливе розміщення їх і по периферії. Для захисту від навантажень, що роздавлюють ВОС поміщають в жорстку трубчасту захісну оболонку (ТЗО) з полімерного матеріалу або в пази фігурного осередини. Крім того, від зусиль такого типу ОВ захищають заповнюючі елементи і зовнішні полімерні оболонки. Щоб ОВ зберігали свої характеристики при вигинах ВОК, їх скручують навколо центрального силового елементу (окрім одноволоконних і двоволоконних кабелів, ОВ яких вільно укладені в одній трубці). Скрутка ОВ створює в ОВ умови рівномірного розтягування всіх волокон багатоволоконного ОК при його вигині.

Захист від статичного втомного руйнування. Цей вид руйнування обумовлений наявністю у волокні мікротріщин і розвитком їх під дією різних зовнішніх зусиль. Основна роль в розвитку мікротріщин належить волозі і підвищеній температурі. Тому захисту волокна в кабелі від вологи надається велике значення. З цією метою волокно покривають захисною поліамідною оболонкою, використовують захисні полімерні оболонки у ВОК, а також заповнюють ВОК водонепроникними наповнювачами -герметиками, гелями. Іноді ВОК герметизують за допомогою екструдированного шару алюмінію на його поверхні або обмотують металевою стрічкою, при цьому проникнення вологи до ОВ значно менше, ніж через захисні полімерні оболонки. Проте наявність в конструкції ВОК металевих елементів різко звужує область їх застосування.

Захист від появи мікровигинів. Микровигини ВОС, тобто вигини з малими просторовими амплітудами і періодами, які виникають на різних ділянках ВОЛЗ при різних зовнішніх виробничих і експлуатаційних діях, є причиною зростання загасання оптичного сигналу у ВОК. Основними причинами появи мікровигинів ОВ є нерівномірні усадки полімерних матеріалів, що входять в конструкцію ВОК. Для того, щоб захисний прошарок поліаміду при усадці в процесі охолодження, не деформував волокно, між цим покриттям і волокном поміщають підшарок м'якої силіконової гуми завтовшки 3–5 мкм. В цьому випадку поліамідне покриття при усадці ковзає на силіконовій гумі, не приводячи до деформації волокна. Крім того, ОВ звичайно поміщають в полімерну жорстку трубку (звично фторопластову), де він лежить вільно і не піддається деформації.

Збереження передавальних характеристик ВОС.Це завдання для ВОС при розміщенні його у ВОК розв'язується оптимальним вибором матеріалів, їх товщини і зазорів між ОВ і елементами ВОК, а також пошуком оптимальної конструкції ВОК.

Вибір кількості ВОС у ВОК.Цей показник визначається рядом чинників. Це і необхідність передавати задане число просторово-розділених сигналів, і резервування та дублювання каналів для підвищення надійності зв'язку, а також умови прокладання і експлуатації ВОК.

2.1.4 Типи ВОК.ВОК можно розділити на такі типи:

- з паралельно укладеними ОВ-до них відносяться одноволоконні ВОК і кабелі з невеликим числом ОВ (не більше 4), вільно укладені в жорстку трубчасту захистну оболонку (ТЗО);

- зі скрученими волокнами-до них відносяться ВОК з числом волокон два і більше; ОВ в таких ВОК скручені пошарово, тобто в першому від осередини шарі ОВ скручені в одну сторону, в другому -в іншу і т. д.; в таких ВОК волокна в шарах чергуються із заповнюючими і силовими елементами;

-стрічкові (пласкі) -цеВОК з пошарово укладеними ОВ, що створюють прямокутну або квадратну матрицю.

2.1.5 Устрій ВОК. Наведемо основні конструкції ВОК:

Двоволоконний ВОК. а) Конструкція з двома ОВ, вільно укладеними в трубку (рис.2.1а): 1 -ОВ; 2 -захисна трубка оптичного модуля ТЗО з полімерного матеріалу (фторопласту) із зовнішнім діаметром 2,5 мм і завтовшки стінки 0,35 мм; 3 -зміцнюючі елементи; 4 -заповнюючі бавовняні нитки; 5 -полімерна оболонка.

Багатоволоконні ВОК. б). Конструкція з чотирма ОВ, які вільно вкладено у двох трубках (два ОВ в кожній), причому трубки скручені

Рисунок 2.1- Конструкції ВОК: а– з двома ОВ, вільно укладеними в ТЗО;б – з чотирма ОВ, вільно укладеними в двох трубках по два ОВ в кожній;в – з периферійним і центральним розташуванням елементів;

г – з ОВ, скрученими навколо центрального силового елементу;

д – з ОВ, укладеними в пази профільованого осередини;

е – з ОВ, укладеними в матрицю 12×12.

навколо силового елементу (рис. 2.1б):1 -ОВ; 2- захисна трубка; 3 –зміц-нюючі елементи; 4 бавовняні нитки для заповнення.; 5 -полівінілхлоридна оболонка; 6 -зміцнюючі нитки; 7 -поліамідно–фторопластова скріпна стрічка; 8 -бавовняна скріпна нитка; 9 -полімерна оболонка.

в) Конструкція із змішаним розташуванням силових елементів і з скрученими ОВ (рис.2.1в): 1 -ОВ; 2 -полівінілхлоридна оболонка; 3 -зміцнююча нитка; 4 –полівінілхлоридний елемент для заповнення; 5 -поліамідно-фторопластова скріпна стрічка; 6 -бавовняна скріпна нитка; 7 -демпфуючий повів; 8-зміцнююча нитка; 9 -полімерна оболонка.

г) Конструкція з ОВ, скрученими навколо центрального елементу (рис. 2.1, г): 1 -ОВ; 2 -полівінілхлоридна оболонка; 3 -зміцнюючі нитки; 4 -полівінілхлоридний заповнюючий елемент; 5 -зміцнюючі нитки; 6 -поліамідна фторопластова скріпна стрічка; 7 -бавовняна скріпна нитка; 8 -полімерна оболонка.

д) Конструкція з ОВ, укладеними в пази профільованого осередини (рис.2.1д): 1 -ОВ; 2 -полівінілхлоридна оболонка; 3 -зміцнюючі нитки; 4 -поліамідно-фторопластова скріпна стрічка; 5 -бавовняна скріпна нитка; 6 -полімерна оболонка.

г) Конструкція зі 144 ОВ, укладеними в матрицю 12´12 (рис.2.1 е): 1 -ОВ; 2 -волоконна стрічка з 12 ОВ; 3 -волоконна матриця з 12 волоконних стрічок; 4 -силовий елемент; 5 -полімерні оболонки.

2.1.6 Основні характеристики ВОК

Для оцінки експлуатаційних якостей ВОЛЗ, ВОСПІ найчастіше вимірюються наступні характеристики.

1. Коефіцієнт відбиття – відношення інтенсивності сигналу, який розповсюджується в лінії назад до інтенсивності сигналу, що розповсюджується вперед в даному перетині лінії.

2. Рівень сигналу – пікова і середня інтенсивності несучого випромінювання у ВОС в даному перетині лінії.

3. Втрати – різниця між потужностями переданого і прийнятого сигналів, що визначається загасанням в світловоді і різними втратами в пристроях введення, місцях зрощення, розгалужувачах і інших компонентах.

4. Розширення імпульса – зміна форми сигналу, викликана міжмодовою дисперсією і дисперсією матеріалу.

5. Відношення сигнал/шум – відношення інтенсивності корисного сигналу до сумарної інтенсивності шумів в каналі.

6. Теплостійкість – здатність системи з ВОК витримувати температурні флуктуації, тобто зберігати свої технічні характеристики в заданому інтервалі робочих температур.

7. Корозійна стійкість – здатність всіх матеріалів ВОК протистояти різним хімічним діям. Особливо дії вологи.

8. Механічна міцність – здатність ВОК витримувати розтягуючі, крутячі і стискуючі навантаження в динамічному і статичному режимах і протистояти ударам і вібраціям.

9. Радіаційна стійкість – здатність ВОК протистояти дії різних ядерних випромінювань, які викликають зміни загасання і дисперсії в ОВ.

Крім того, мають важливе значення стійкість ВОК до механічних (розтяг, вигін, поперечний тиск. Стійкість до ударів, ін.) і кліматичних впливів (температура, вологість, тиск, ін.).

2.1.7 Технологія виробництва ВОК.Процес виробництва ВОК можна розбити на наступні стадії:

Підготовка ОВ.ВОС в кабельне виробництво поступає в поліамідной оболонці, що оберігає його від механічних дій ( не виключено використання ОВ і в лаковій оболонці). Поліамідна захисна оболонка наноситься або за допомогою екструдера, або за допомогою електростатичного поля.

Виготовлення оптичного модуля.Волокнонний світловод пропускають через прес, де він запресовується в трубку з вільним укладанням або обжиманням. Іноді для підвищення міцності на розтягування оптичного модуля всередину трубки поміщають нитки із синтетичних матеріалів (СМ), а для оберігання ОВ від подовжніх навантажень в трубці розміщують бавовняні нитки.

Виготовлення силового і заповнюючих елементів.Залежно від того, які вимоги пред'являються до ВОК по допустимих подовжніх і по поперечних навантаженнях, вибирають відповідне число ниток СМ і, пропускаючи через прес, укладають в полівінхлоридну оболонку. Якщо передбачається виготовляти одно-або двоволоконний кабель без скручування, то оптичний модуль разом з необхідною кількістю ниток СМ проходить зразу ж операцію ошлангування. Якщо оптичні модулі необхідно скручувати навколо силового елементу, то наступним є скручування, а потім ошлангування.

Скручування оптичних модулів.Скручування оптичних модулів, ниток СМ, заповнюючих елементів, бавовняних ниток навколо силового елементу можна виробляти на ліхтарних або крутильних машинах. Після скручування оптичних модулів і інших необхідних по конструкції елементів навколо силового елементу здійснюється операція фіксації скручування. Для цього одержаний напівфабрикат звичайно зразу ж покривається поліамідно-фторопластовою плівкою, причому кількість плівок береться 3…4, а швидкість скрутки – 1…50 м/хв.

Ошлангування ВОК.Екструзійна лінія для накладення оболонки на заготовку для ВОК принципово відрізняється від екструзійної лінії для накладання захисного покриття на волокно тільки тим, що має більший діаметр шнека. Швидкість ізолювання в межах 5–100 м/хв. Технологія виробництва ВОК по своїй структурі не відрізняється від виробництва традиційних кабелів з металевими дротами. Проте виробництво ВОК вимагає удосконалення технологічного процесу з метою забезпечення рівномірного проходження ОВ по технологічному ланцюжку без ривків і зупинок, жорстокої витримки всіх геометричних розмірів від початкового продукту (ОВ) до кінцевого (ВОК).

2.1.8 Економічний ефект від використання ВОК. З техніко-економічних розрахунків можна зробити висновок, що заміна міських ліній зв'язку довжиною, наприклад, 1 км на основі 600‑парного кабелю типу ТГ на ВОК в багатоволоконному численні завдовшки 10 км приведе до економії 4,5 тон міді і 8 тон свинцю. Крім того, інші важливі переваги ВОК – широка смуга частот передачі інформації, неможливість впливати перешкодами на інформацію, що передається, несприйнятливість до цілого ряду зовнішніх дій, малі маса і габаритні розміри, віднесені до одиниці об'єму інформації, укріплюють їх зростаючу роль в системах зв'язку.