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.