Что такое оптоволоконный кабель

Для передачи данных сегодня широко используются оптоволоконные кабели. В некоторых областях IT они полностью вытеснили традиционные линии связи на основе металлических проводников. Особенно эффективны оптические линии там, где большие объёмы данных надо передавать на большие расстояния.

Физические основы работы оптоволокна

В основе физических принципов работы оптического волокна лежит принцип полного отражения. Если взять две среды с различными коэффициентами преломления n₁ и n₂, причем n₂< n₁ (например, воздух и стекло или стекло и прозрачный пластик) и пустить луч света под углом α к границе раздела, то произойдут два события.

Луч (на рисунке обозначен красным цветом), пущенный сверху слева (по стрелке), частично преломится и пойдет по среде с коэффициентом преломления n₂ под углом α₁<α – эта часть луча обозначена штриховой линией. Другая часть луча отразится от границы раздела под тем же углом. Если пустить луч под более пологим углом β (зеленый луч на рисунке), то произойдет то же самое – частичное отражение и частичное преломление под углом β₁.

Если угол падения α уменьшить еще (синий луч на рисунке), то можно добиться, чтобы преломленная часть луча «скользила» практически параллельно границе раздела сред (синяя штриховая линия). Дальнейшее уменьшение угла падения (зеленый луч, падающий под углом β) вызовет качественный скачок – преломленная часть будет отсутствовать. Луч полностью отразится от границы раздела двух сред. Этот угол называется углом полного отражения, а само явление – полным отражением. То же самое будет наблюдаться и при дальнейшем уменьшении угла падения.

Устройство оптического волокна

На этом принципе построено оптическое волокно. Оно состоит из двух коаксиальных слоев с разной оптической плотностью.

Если в открытый торец волокна попадает световой луч под углом, большим угла светового отражения, он будет отражаться от границы контакта двух сред с разным коэффициентом преломления полностью, с малым затуханием при каждом «скачке».

Внешняя часть оптоволокна изготавливается из пластика. Внутренняя может также быть выполнена из прозрачного пластика, тогда его можно гнуть под достаточно большими углами (даже сворачивать в кольцо, и свет, попавший внутрь, все равно пройдет от одного торца до другого с затуханием, зависящим от оптических свойств пластика и длины световода). Для магистральных кабелей, где гибкость не так важна, внутреннюю жилу обычно делают из стекла. Так уменьшается затухание, уменьшается стоимость световода, но он становится чувствительным к изгибам.

Для увеличения пропускной способности оптической линии волокно выпускают в двухмодовом или многомодовом исполнении. Для этого сечение сердечника увеличивают до 50 мкм или 62,5 мкм (против 10 мкм у одномодового). Через такой световод одновременно может передаваться два или более сигналов.

Такое построение оптической линии передачи имеет определенные недостатки. Один из них – световая дисперсия, вызванная разным маршрутом прохождения каждого сигнала. С ней научились бороться, выполняя сердечник с градиентным (меняющимся от середины к краям) коэффициентом преломления. За счет этого маршруты разных лучей корректируются.

Кабели с многомодовыми волокнами применяются большей частью для локальных сетей (в пределах одного здания, одного предприятия и т.п.), а с одномодовыми – для магистральных линий.

Устройство оптоволоконной линии

По ВОЛС передается световой сигнал, создаваемый светодиодом или лазером. В передающем устройстве формируется электрический сигнал. Конечному прибору также нужен сигнал в виде электрических импульсов. Поэтому потребуется дважды преобразовать исходные данные. Упрощенная схема оптоволоконной линии показана на рисунке.

Сигнал от передающего устройства преобразовывается в световые импульсы и передается по оптической линии. Мощность излучателей на передающей стороне имеет ограничения, поэтому на линиях большой протяженности через определенные промежутки ставятся устройства, компенсирующие затухание – оптические усилители, регенераторы или повторители. На приемной стороне стоит другой преобразователь, который трансформирует оптический сигнал в электрический.

Конструкция оптического кабеля

Для организации волоконно-оптической линии отдельные волокна используются в составе оптического кабеля. Его конструкция зависит от назначения линии передач и способа прокладки, но в целом он содержит несколько оптоволокон с индивидуальным защитным покрытием (от царапин и механических повреждений). Такая защита обычно выполняется в два слоя – сначала оболочка из компаунда, а сверху — дополнительное покрытие из пластика или лака. Волокна заключаются в общую оболочку (подобно обычным электрическим кабелям), которая определяет область применения кабеля и выбирается с учетом внешних воздействий, которым будет подвергаться линия в процессе эксплуатации.

При прокладке в кабельных лотках существует проблема защиты линий от грызунов. В этом случае надо выбирать кабель, внешняя оболочка которого усилена стальной лентой или проволочной броней. Также в качестве защиты от повреждения используются стеклонити.

Если кабель прокладывается в трубе, усиленная оболочка не нужна. Металлическая трубка надежно защищает от зубов мышей и крыс. Внешнюю оболочку можно выполнить облегченной. Так удобнее затягивать кабель внутри трубы.

Если предстоит прокладывать линию в грунте, защиту выполняют в виде проволочной брони, защищенной от коррозии, или стеклопластиковых прутьев. Здесь обеспечивается высокая стойкость не только на сдавливание, но и на растягивание.

Если кабель надо прокладывать на участках моря, через реки и прочие водные преграды, по болотистому грунту и т.п., применяется дополнительная защита из алюмополимерной ленты. Так осуществляется сохранность от проникновения воды.

Также многие кабели внутри общей оболочки содержат:

• армирующие стержни, служащие для придания конструкции большей прочности при внешних механических воздействиях и при тепловом удлинении линии;
• заполнители – пластиковые нити, заполняющие пустые области между волокнами и другими элементами;
• силовые стержни (их назначение – увеличивать нагрузку на разрыв).

В больших по длине пролетах линии подвешивается на тросе, но существуют самонесущие кабели. Несущий металлический трос встраивается непосредственно в оболочку.

В качестве отдельного типа волоконно-оптической линии надо упомянуть оптический патч корд. Этот кабель содержит одно или два волокна (одномодовых или двухмодовых), заключенных в общую оболочку. С обеих сторон шнур оснащается коннекторами для подключения. Такие кабели имеют небольшую длину и предназначены для соединения оборудования на небольшом расстоянии или прокладки внутришкафных коммуникаций.

Достоинства и недостатки оптических кабелей

К несомненным плюсам оптических кабелей, определившим широкое распространение таких линий связи, относятся:

• высокая помехозащищенность – на световой сигнал не оказывает воздействие бытовое и промышленное электромагнитное излучение, да и сама линия не излучает (это затрудняет несанкционированный доступ к передаваемой информации и не создает проблем электромагнитной совместимости);
• полная гальваническая развязка между приёмной и передающей стороной;
• малый уровень затухания – намного меньше, чем у проводных линий;
• длительный срок службы;
• большая пропускная способность.

В современных реалиях имеет значение также то, что кабель не привлекает похитителей металла.

Оптика не лишена и недостатков. В первую очередь это сложность монтажа и подключения, что требует специального оборудования, инструментов и материалов, а также предъявляет повышенные требования к квалификации персонала, осуществляющего монтаж и обслуживание линий. Большинство неисправностей в ВОЛС связано с ошибками в монтаже, которые могут проявлять себя не сразу. Изначально стоимость собственно линии также была высокой, но развитие технологий позволило снивелировать этот недостаток до конкурентоспособных уровней.

Оптические линии связи заняли серьезный сектор на рынке коммуникационных материалов. В обозримом будущем серьезной альтернативы им не видно, если не случится технологического прорыва.

Какие провода бывают — все разновидности кабелей и проводов

Обзор современных протоколов промышленной автоматизации — Modbus, Profinet, EtherCAT и др.

Что такое коаксиальный кабель, основные характеристики и где используется

Датчики уровня: типы, характеристики, рекомендации по выбору

Чем отличаются аналоговый сигнал от цифрового — примеры использования

Расчёт и минимизация падения напряжения в кабельной линии