Кабели связи © 2019 Томский политехнический университет, ОЭЭ ИШЭ Лектор: к.т.н., доцент Васильева Ольга Владимировна Оптические кабели связи Литература: Гроднев И.И., Курбатов Н.Д. Линии связи: Учебник для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Связь, 1980. – 440 с., ил. Гроднев И.И. Кабели связи.–2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, 1976. – 272 с., ил. Гроднев И.И. и др. Оптические кабели: конструкции, характеристики, производство и применение. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 264 с., ил. Марьин С.С., Гефле О.С. Кабели связи: Учебное пособие. – Т.: ТПУ, 2009. – 78 с. Алиев И.И. Кабельные изделия: Справочник. 3-е изд. – М.: ИП РадиоСофт, 2014. – 224 с., ил. Оптические кабели Основное назначение – передача информации на большие расстояния и на большое число каналов: телефонная связь, интернет, кабельное телевидение, бортовые информационные системы подвижных объектов (самолет, корабль и т.д.). Основным функциональным элементом ОК является волоконный световод (оптическое волокно-ОВ), по которому распространяется ЭМ поле в виде информац. сигналов в оптическом диапазоне волн. Волоконный световод (ВС) – тонкая двухслойная стеклянная нить круглого сечения, выполненная из оптически прозрачного диэлектрика. Слои нити имеют различные показатели преломления n1 и n2. В двухслойном ВС происходит полное внутреннее отражение на границе раздела стекол. Передача по ВС осуществляется в оптическом диапазоне волн 14 15 f. 1 0 ...1 0 Г ц ( ( = 3 ...0 ,3 м к м ) . ). Режимы передачи по НС в зависимости от соотношения длины волны и поперечных геометрических размеров D: Режим Соотно шение Процесс Математически Частота, Длина й аппарат Гц волны НС Колебате льный Телеграфные уравнения, законы Ома и Кирхгофа ВЛ, СК, КК, ЛК, ПЛ В, ДВ, КК, ОК иD Квазистаци онарный Электродин амический (резонансн ый) км, м Волновой Уравнения Максвелла 1010-1012 см, мм Лучевой 1014-1015 мкм D D Квазиоптич еский 0-108 D Уравнения Гюйгенса, Френеля ОК ОВ изготавливают, извлекая стеклянные нити диаметром с человеческий волос, затем этим волокном заполняются кабели (ОК). Когда телефонный звонок кодируется в виде лазерных импульсов и передается через ОВ, он может пройти гораздо большее расстояние с меньшей потерей качества сигнала, чем при использовании медного провода. Передача информации по ОК Структурная схема волоконно-оптической связи ИКМ – импульсно-кодовая модуляция; ПК – преобразователь кода; СУ – согласовывающие оптич. устройства; ОП – оптич. передатчик; ОПр – оптич. приемник; ЭОП – преобразователь электр. сигнала в оптич.; ОЭП – преобразователь оптич. сигнала в электр.; Л, СД – лазер (полупроводник.), светоизлучающий диод; ФД – фотодиод. Системы передачи по ОК В оптич. системах передачи применяются принципиально те же методы образования многоканальной связи, что и для эл. кабелей. ИКМ – модуляция интенсивности излучения источника на 30, 120, 480 и 1920 каналов. ОП – обеспечивает ЭОП (ПЛ/Л, СД), ОПр – обеспечивает ОЭП (ФД). ОП ОПр Системы передачи по ОК ПК – формирует требуемую последовательность импульсов и осуществляет согласование уровней по мощности м/у эл. (ИКМ) и оптич. (ПЛ, СД и ФД) элементами схемы (от ИКМ идет высокий уровень, для СД необходим малый уровень). СУ – формируют и согласовывают диаграммы направленности и апертуру м/у приемно-передающими устройствами и кабелем. Системы передачи по ОК А в Диаграмма направленности. – угол ввода луча в торец СВ; – апертурный угол ( А ); – угол полного внутр. отражения. Апертура ВС. Системы передачи по ОК Передаваемый сигнал ИКМ через ПК поступает в ЭОП. Здесь сигнал ИКМ модулирует оптическую несущую, создаваемую ПЛ/СД, и через передающие СУ поступает в ОК. На приеме оптич. сигнал через приемное СУ поступает в ФД, где он преобразуется в эл. сигнал и через ПК поступает в приемник ИКМ. Разработаны компактные оптические модули (ПОМ и ПрОМ: все элементы ОП и ОПр) в спичечную коробку, которые позволяют подключить с одной стороны аппаратуру ИКМ, а с другой – ОК. Системы передачи по ОК Передающие оптические модули ПОМ -34, 155, 622 соответственно. Приёмные оптические модули ПрОМ-34, 155, 622 соответственно. Системы передачи по ОК Модули ПОМ: • длина волны: 1310нм, 1550нм (если CWDM, то 1270...1610нм); • скорость передачи данных: 34-2500 Мбит/с; • напряжение питания: 3,3 или 5 В; • оптический выход в виде оптической розетки типа FC либо пигтейла, оконцованного любым оптическим коннектором. Модули ПРОМ: • скорость приема: 34-2500 Мбит/с; • чувствительность составляет: -41…-22 дБм; • оптический выход аналогично модулям ПОМ. Схема линейного регенератора (ЛР) Через определенные расстояния, обусловленные затуханием кабеля (10 и 50 км) вдоль оптич. линии располагаются ЛР. В ЛР сигнал восстанавливается и усиливается до требуемого значения. В ЛР содержится два полукомплекта отдельно для прямого и обратного направлений передачи. Системы передачи по ОК В качестве источника излучения используется ПЛ, в качестве приемника – лавинный ФД. Кабели в основном содержат по 4 и 8 волокон: • для городской связи – длина волны 0,85 мкм с расстояниями м/у ЛР 8–12 км; • для зоновой связи – длина волны 1,3 мкм с расстояниями м/у ЛР 30 км; • для магистральной связи – длина волны 1,55 мкм с расстояниями м/у ЛР до 100 км. Подводные кабели (для междугородной связи) – расстояния до 10 000 км, длина регенерационных уч-в около 50 км, глубина прокладки до 7,5 км, содержит 6 волокон, сверху покров из стальных проволок, длина волны 1,3 мкм, всего 12 000 каналов. Принцип действия ПЛ Это полупроводниковый диод с p-n переходом, выполненный из активного материала (арсенид галлия с добавками теллура и т.д.), способного излучать фотоны. Под воздействием U в п/пр-ке происходит возбуждение носителей, возникает излучение световой энергии и появ-ся поток фотонов. Принцип действия ПЛ Поток фотонов, многократно отражаясь от зеркал (отполиров. торцевые грани п/пр-ка), образующих резонансную систему, усиливается, что приводит к появлению лазерного луча с остронаправленной диаграммой излучения. ПЛ – распространяется на большие расстояния, имеет строго прямолинейное излучение, очень узкий пучок с малой степенью расходимости, может пробивать любые отверстия (имеет электромагнитную природу). СД - п/пр-к из арсенида галлия, не имеет резонансного усиления. Излучение происходит спонтанно, луч имеет меньшую мощность и широкую диаграмму направленности (имеет тепловой источник излучения фотонов). Принцип действия ФД В результате падения лучей света создаются носители эл. зарядов и появляется эл. ток. Наиболее широкое применение получили: арсенид-галлиевые лавинные ФД (существенное увеличение I из-за вновь образуем. носителей) и кремниевые ФД. Частотные зависимости затухания СК, КК, СПК, В, ОК (С) СК свойственны потери: в металле, диэлектрике и на излучение. КК свойственны потери: в металле и диэлектрике. В (при магнитной волне H01) свободны от взаимных и внешних помех. СПК имеют малое затухание до частоты 1 0 9 . ОК свойственны потери: на поглощение в диэлектрике и на рассеяние света, обладают высокой помехозащищенностью. Область эффективного применения различных НС по зарубежным данным (Q1 – стоимость одного канало-километра, N – число каналов): 1 – СК; 2 – КК; 3 – В; 4 – ОК По отечественным данным самой дешевой является связь по В и ОК, затем КК, и наконец самой дорогой является связь по ВЛ. Стоимость канала обратно пропорциональна корню из числа каналов, т.е. 1 / N . Имеется прямая связь м/у экономичностью системы и ее широкополосностью. Относительная стоимость канала связи по КК и ОК Коаксиальный кабель (КК) Стоимость кабеля, руб Стоимость регенератора, руб Длина регенерацион. участка, км Стоимость регенератора на 1 км трассы, руб Суммарная стоимость 1 км трассы, руб (кабель+регенератор) Число каналов Стоимость 1 кан-км, руб Оптический кабель (ОК) ИКМ-120 ИКМ-480 ИКМ-1920 ИКМ-120 ИКМ-480 ИКМ-1920 4000 4000 4000 11 000 11 000 11 000 8000 8000 8000 35 000 35 000 35 000 12 6 3 70 70 70 665 1330 2660 500 500 500 5465 240 6130 960 9460 3840 11 500 480 11 500 1920 11 500 7680 22,7 6,4 2,47 24 6 1,5 По КК можно реализовать 2 системы, по ОК – 4 системы. По экономическим показателям ОК целесообразно применять с 1000-2000 каналов, а исходя из экономии цветных металлов – при любом числе N. Основные достоинства и главные области применения ОК Высокая техникоэкономическая эффективность ОК обусловлена прежде всего двумя факторами: большой пропускной способностью и большими длинами регенерационных участков (30-50 км и более на ОК и 1-5 на КК). Для систем связи существенными являются показатели 1-5, для автоматизированных систем управления и ЭВМ – 1-3, для мобильных подвижных систем – 1, 2, 6. Основы теории ОК ВС имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления n1 и n2. Показатель преломления оболочки имеет постоянное значение, сердцевина может изменяться вдоль радиуса по определенному закону. Такое изменение называется профилем показателя преломления (ППП). ( ). В зависимости от профилей показателей преломления ОВ подразделяются на ступенчатые и градиентные. Ступенчатый профиль – профиль имеет постоянное значение n1 в пределах сердцевины волокна и изменяется скачком (ступенькой) при переходе от сердцевины к оболочке. Градиентный профиль – профиль является монотонно убывающей функцией радиуса n1(r) в пределах сердцевины волокна. В ступенчатом ВС лучи резко отражаются от границ сердцевина – оболочка, имеют уширение импульса света, дисперсия велика. В градиентном ВС лучи распространяются по волнообразным траекториям и искажений (дисперсии) меньше. В одномодовом ВС распространяется один луч, дисперсия (искажение передаваемого сигнала за счет сдвига по времени лучей) близка к 0. Волоконные световоды: а – ступенчатые многомодовые; б – градиентные многомодовые; в – одномодовые. В конструктивном отношении одномодовые и многомодовые ВС различаются диаметром сердцевины. Диаметр оболочки 125 мкм, двухслойное полимерное покрытие – 500 мкм. В одномодовых ВС диаметр сердцевины (6-8 мкм) соизмерим с длиной волны и по нему передается лишь один тип волны (мода Н11). В многомодовых ВС диаметр сердцевины (50 мкм) больше, чем длина волны и по нему передается большое число волн (до тыс). Сердцевина служит для передачи ЭМ энергии, а назначение оболочки – создание лучших условий отражения на границе сердцевина – оболочка и защита от излучения энергии. Область применения различных ВС: В многомодовых ступенчатых – короткие (до 1 км), рабочая длина волны излучения – 0,85 мкм, скорость передачи информации до 100 Мбайт/с. В многомодовых градиенных – до 5 км на длинах волн 0,85 и 1,35 мкм, скорость передачи информации до 2 Гбит/с. В одномодовых – возможность передачи большого потока информации на требуемые расстояния и большие длины регенерационных участков – до 150 км, длина волны 1310 нм. В общем виде ППП меняется по закону: r n r n 0 1 2 a u 1/ 2 , где n0 – максимальное значение ППП на оси волокна при r=0; a – радиус сердцевины; u – показатель степени, описывающий изменение ППП; 2 2 n1 n 2 2 2 n1 r n r n 0 1 2 a 2 n 2 n 0 1 n1 n 2 0,003 0,01. n1 1/ 2 – для градиентного СВ (u=2); – для ступенчатого СВ (u= ). Отличие от радиопередачи состоит в том, что волна распространяется не в свободном пространстве, а концентрируется в самом объеме световода и передается по нему в заданном направлении. Процесс передачи: а – по радио; б – по световоду. Граница раздела двухпроводных (двухсвязных) и волноводных (односвязных) НС характеризуется соотношением между и d. При d требуются два провода (прямой и обратный) и передача происходит по обычной двухпроводной схеме. При d передача происходит за счет многократного отражения волны от границ раздела сред с n1 и n2. Передача энергии по двухпроводным (а) и волноводным (б) НС. ВОС имеют частоту отсечки – критическую частоту f 0 , работают как фильтры ВЧ и по ним возможна лишь передача волн длиной меньше, чем 0 (кроме гибридной волны H E 1 1 ). Двухпроводные системы не имеют ограничений, но потери и затухание больше. 1 – ВЛ, СК, КК, СПК; 2 – В, ОК. Затухание сигнала в двухпроводных (1) и волноводных (2) НС. Световые волны, которые изображаются этими лучами, многократно отражаясь от границы, накладываются сами на себя и образуют направляемые волны (моды). 90 0 0 0 d d f f f0 f f0 Распространение волны в световоде для частот: а – очень высоких; б – менее высоких; в - критических. Принцип действия ВС: 1 – имеется преломленный луч; 2 и 3 – отсутствует преломленный луч n1 n 2 АВ – падающая волна с углом п , ВС – отраженная волна с углом о , BD – преломленная волна с углом п р , q – излучение в окруж. среду, в – угол полного внутреннего отражения. В геометрической оптике световые волны изображаются лучами, направленными по нормали к волновой поверхности. При падении световой волны на плоскую границу раздела двух диэлектриков в общем случае наблюдаются преломленная и отраженная волны. В соответствии с законами Снеллиуса угол падения п связан с углами отражения о и преломления п р следующими соотношениями: п о , n1 s in п n 2 s in п р где: n1 1 , n 2 2 – соответственно показатели преломления первой и второй среды. Если среда I оптически более плотная, чем среда II, т.е. n 1 n 2 , то существует предельный (критический) угол падения (угол в полного внутреннего отражения). Чтобы вычислить критический угол, находим значение для п при: п р 9 0 , s in п р 1 Результирующее значение п приравнивается к критическому углу: в a r c s in n2 n1 Это явление называется полным внутренним отражением (угол падения превосходит некоторый критический угол в ). n1 n 2 п в , в кр Апертура ВС – угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец ВС, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения. – угол ввода луча в торец световода; А – апертурный угол ( A ). Следует стремиться, чтобы угол падения луча п на границу сердцевина – оболочка был больше в и находился в переделах от в до 9 0 , а угол ввода луча в торец световода укладывался в А . Волны и лучи в световодах Свет имеет двойственную природу: волновую и квантовую. По волновой теории свет – ЭМ колебания очень высоких частот и очень коротких волн (микроны). По квантовой теории свет – поток быстро движущихся мелких частиц (фотонов). Излучение характеризуется длиной волны и частотой f. Параметр Инфракрасные Видимые лучи лучи (ИК) (В) Ультрафиолетов ые лучи (УФ) , мкм f, Гц 100-0,75 3∙1012-4∙1014 0,4-0,005 0,75∙1015-0,6∙1017 0,75-0,4 4∙1014-0,75∙1015 Белый свет имеет сложную структуру и может быть представлен в виде набора различных световых лучей. Белый свет (ЭМ излучение, воспринимаемое человеческим глазом), разделённый призмой на цвета спектра Чувствительность нашего глаза соответствует видимому спектру волн (0,4-0,8 мкм). Спектр света – часть спектра электромагнитного излучения Характер распространения ЭМ волн в НС, структура поля и частотный диапазон зависят от класса волны, используемой для канализации энергии. Существуют волны следующих классов: • Т – поперечная ЭМ (СК, КК, ЛК); • Еnm – электрическая (металлический волновод); • Нnm – магнитная (металлический волновод); • НЕnm и ЕНnm – гибридные, смешанные (ВС). Классы ЭМ волн. HEnm: n – число изменений поля по периметру волновода; m – число изменений поля по диаметру. Наряду с делением на классы ЭМ волны делятся так же по типам (модам). Мода (обозначается n и m) определяется сложностью структуры, т.е. числом максимумов и минимумов поля в поперечном сечении. В ВС могут существовать два типа: • симметричные – H0m и E0m (имеют круговую симметрию); • несимметричные гибридные – НЕnm и ЕНnm (первая буква – какое поле преобладает в поперечном сечении). Наибольшее применение в ОК получила волна типа НЕ11 (или ЕН10). Здесь магнитные линии в горизонтальной плоскости имеют такую же структуру, как и электрические в вертикальной. Структура поля гибридной волны НЕ11. Связь волновой теории с лучевой теорией геометрической оптики По ВС возможна передача двух видов лучей: • меридиональных (расположены в плоскости, проходящей через ось ВС – волны H0m и E0m); • косых (не пересекают ось ВС, проходят по сложным путям – волны НЕnm и ЕНnm). Если точечный источник излучения расположен по оси ВС – только меридиональные лучи, если вне оси ВС/сложный источник – одновременно меридиональные и косые лучи. Условие, когда меридиональный луч образует моду: n1 Меридиональные (а) и косые (б) лучи в световоде. n0 2 , n 0 – для воздуха. Волокна окутываются материалом с меньшим показателем преломления, чтобы создать полное внутреннее отражение, даже если волокна пребывают в контакте. Полное внутреннее отражение – мощный эффект, т.к. его можно применить для ограничения света. Если свет упадет на конец кабеля с углом, превышающим критический, то световой луч попадет в ловушку стеклянной нити. Точное описание процесса распространения световых волн в волоконных теории. световодах возможно методами волновой Когда длина волны и излучения значительно меньше диаметра сердцевины ВС, для описания процессов можно пользоваться методами геометрической (лучевой) оптики (лучевые процессы). Когда законы геометрической оптики не действуют, необходимо использовать основные положения волновой теории. Материалы для изготовления ОВ и кабелей FTTH (Fiber To The Home) — оптоволокно до дома Стекла для ОВ, работающих на длине волны 0,63-1,55 мкм Плавленый кварц (при условии высокой степени очистки и гомогенности) обеспечивает: • низкое поглощение (затухание); • малые внутренние потери на рассеивание. Добавление оксида бора в кварц приводит к уменьшению n, длительный отжиг боросиликатного стекла – к увеличению n (необходимо для разных n сердцевины и оболочки). Зависимость n бинарной стеклообразующ. системы B 2 O 3 S iO 2 от молярной доли оксида кремния M S iO 2 Стекла для ОВ, работающих на длине волны 0,63-1,55 мкм Такие добавки к кварцу, как G e O 2 , P 2 O 5 , T iO 2 , A l 2 O 3 , S b 2 O 3 приводят к увеличению n без ухудшения его оптических свойств. Показатель преломления увеличивается: на 0,001% при увеличении молярной доли G e O 2 на 1%; на 1,4% при увеличении молярной доли G e O 2 на 20%. Зависимость n плавленого кварца от молярной доли оксида германия M G eO 2 P - ф о сф о р , T i - ти тан , S b - сур ьм а. Стекла для ОВ, работающих в средней и дальней инфракрасных областях Германиевые стекла (с добавками обеспечивают: B i2O 3 , T l2O , P bO , S b 2O 3 • минимальные потери менее 0,1 дБ/км; • дисперсию, равную 0 при 2 , 0 8 2 , 8 1 ) мкм. Халькогенидные стекла – сульфид и селенид мышьяка (с добавками . T l, G e , S i, S b ) обеспечивают: • высокую прозрачность; • минимальные оптические потери; • широкую область стеклования; • высокую стойкость к воздействию влаги. B i - ви см ут, T l - тал л и й , P b - сви н ец . S b - сур ьм а, S i - кр ем н и й , G e - гер м ан и й . Стекла для ОВ, работающих в средней и дальней инфракрасных областях Спектральная зависимость материальной дисперсии стекла на основе A s 2 S 3 Спектральная зависимость оптических потерь стекол на основе: 1 – A s 2S 3 ; 2 – A s 2S e 3 . A s - м ы ш ьяк, S - сера, S e - селен. Материальная дисперсия - явление зависимости показателя преломления вещества n от длины волны . Искажение формы импульсов вследствие дисперсии Стекла для ОВ, работающих в средней и дальней инфракрасных областях Галогенидные стекла – хлориды и фториды металлов (с добавкой . Z n C l 2 ) обеспечивают: • минимальные потери на рэлеевское рассеяние (рассеяние света на объектах, размеры которых меньше его длины волны). Стекла для ОВ, работающих в средней и дальней инфракрасных областях Хлоридные стекла обеспечивают: • минимальные внутренние потери. Фторидные стекла обеспечивают: • широкую прозрачность в широком диапазоне длин волн; • стабильность. Для изготовления ОВ применяют кристаллические материалы на основе . T lB r J , K C l, A g C l . Коэффициент затухания для этих материалов составляет . 1 0 2 1 0 4 дБ/км. Материалы буферного и защитных покрытий ОВ Первичное защитное покрытие (ПЗП) наносится на поверхность ОВ при его непосредственном изготовлении в едином технологическом процессе. ПЗП предназначено защищать ОВ от механических повреждений, влаги и др. внешних факторов. Основные требования к полимерам для ПЗП: • стойкость к рабочим температурам; • соотношение времени полимеризации и скорости вытяжки ОВ; • показатель преломления должен быть не менее 1,43; • хорошая адгезия к материалу оболочки и эластичность; • близкие значения ТКЛР с материалом световода. ТКЛР – температурный коэффициент линейного расширения. Материалы буферного и защитных покрытий ОВ В качестве материала для ПЗП используются лаки. По способу полимеризации они делятся на материалы: • теплового (силиконовые компаунды) отверждения – стойкость к механич. повреждениям, микроизгибам (но водопроницаемы); • УФ (кремнийорганические компаунды, эпоксиакрилаты) отверждения – высокая ск-ть полимеризации, однородность. Полимеризация – процесс образования высокомолекулярного вещества (полимера) путём многократного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера, олигомера). Материалы буферного и защитных покрытий ОВ Буферный слой – дополнительный промежуточный слой, который наносится м/у основными слоями защитного покрытия. Материал (фторполимеры, нейлон-12, капрон, ПЭ и др) буферного слоя должен иметь большой модуль Юнга и играть роль демпфера, уменьшающего воздействие защитных оболочек на ОВ. Модуль Юнга – физическая величина, характеризующая способность материала сопротивляться растяжению, сжатию при упругой деформации. Материалы буферного и защитных покрытий ОВ Вторичное защитное покрытие (ВЗП) наносится на буферное покрытие, которое обеспечивает механическую прочность покрытия выше прочности ОВ. Для уменьшения влияния ВЗП на ОВ применяют тонкослойные покрытия с использованием эпоксиакрилатов и уретанакрилатов. В качестве материала, удовлетворяющего требованиям по ТКЛР и усадке, можно применять термотропные жидкокристаллические полимеры. Материалы для силовых элементов и оболочек кабелей Для силовых (армирующих) элементов используют: • сталь; • медь, армированная вольфрамом (волокна вольфрама – арматура, заполненные медью – матрица) – высокие механические параметры в широком интервале темп-р; + Материалы для силовых элементов и оболочек кабелей Для силовых (армирующих) элементов используют: • полимерные материалы на основе (производные оксокислот) групп; • стеклопластиковые амидосодержащих элементы (волокна стеклонити арматура, заполненные полиамидом и т.д. – матрица); • углеродное волокно. – Материалы для силовых элементов и оболочек кабелей Для оболочек кабелей используют: • ПЭ низкого давления; • ПВХ; • полиуретан; • второпласт; • комбинация стеклянных/синтетических нитей, пропитанных эпоксидным компаундом – высокая прочность и стойкость к кручению, продавливанию и герметичности; • алюминий, сталь, свинец (для особых случаев). Выбор материала защитной оболочки или брони определяют условия и регионы эксплуатации кабеля. Физико-механические параметры стеклопластиковых э-в и пр-ки Параметр Плотность, г/см^3 Разрушающее напр-е при растяжении, МПа Относит. удлинение, % Модуль упругости при растяжении, МПа Разрушающее напр-е при сжатии, МПа Разрушающее напр-е при изгибе, МПа Влагопоглощение, % ТКЛР, С 1 1 0 6 Мин. радиус изгиба, мм Стеклопластик на основе Конструкц полиамид эпоксидного связующего ионная ного стальная связующег с синтетич. со проволока о со нитями стеклонитям стеклонит и ями 7,8 1,27 1,45 2,08 500 - 1150 1,92 1460 2,9 1400 1,5 210 000 15 000 48 500 51 400 450 450 500 640 340 11 - 450 1,5 117 300 1720 0,5 16 500 1610 0,5 6,6 500 Силовой кабель высокого напряжения со встроенным волоконно-оптическим модулем (разработан компанией TELE-FONIKA KABLE S.A., Польша) Принцип работы системы DTS Система, в которой ОВ является термодатчиком, известна как DTS (Distributed Temperetura Sensing – распределенный температурный датчик). Системы DTS обеспечивают объективный контроль температуры кабеля с целью обнаружения критических мест на трассе. Преимущество - мультиплексность, т.е. контроль температуры в сотнях точек производится одним единственным датчиком. Для кабельных линий до 10 км - многомодовое волокно с градиентным ППП. Для кабельных линий до 20 км - одномодовое волокно с низкими потерями. Схема инициирования и анализа обратного пучка рассеянного света Лазерный импульс посылается вдоль волоконно-оптического датчика и затем анализируется в отраженном пучке света. В системах DTS для измерения температуры используется так называемый эффект Рамана – эффект комбинационного рассеяния света. Видимый световой поток генерируется с различными длинами волн. Конструкция силового высоковольтного кабеля с волоконно-оптическим модулем Расположение волоконно-оптического модуля вне кабельной системы ВО модуль может быть также расположен внутри кабельной системы. В этом случае ВО модуль является элементом конструкции кабеля в различных вариантах: • расположение под металлическим экраном; • расположение под наружной оболочкой над металлическим экраном; • как элемент в конструкции металлического экрана; • как элемент конструкции токопроводящей жилы. Процесс производства кабеля с волоконно-оптическим модулем Процесс производства кабеля соответствовал стандартной схеме: • скрутка токопроводящей жилы; • наложение покрытий методом экструзии (полупроводящий экран по жиле, изоляция из сшитого полиэтилена, полупроводящий экран по изоляции); • наложение водоблокирующих лент, металлического экрана и металлической трубки с оптическим волокном (ОВ); • наложение наружной оболочки методом экструзии; • наложение покрытия из коллоидного графита. Конфигурация кабельной линии на напряжение 64/110 кВ Допустимая токовая нагрузка для кабельной системы была рассчитана для следующих условий прокладки: • температура земли – 31 ºС; • глубина прокладки кабеля – 1,0 м; • термическое удельное сопротивление земли – 1,5 к · м/Вт; • температура воздуха – 31 ºС. Протяженность трассы кабеля приблизительно 5 км. Параметры применяемого оптического волокна Квалификационные испытания кабеля Обобщенные данные мониторинга температуры при испытаниях кабеля на нагрев Современное изготовление оптических кабелей Международная космическая станция (МКС) для изготовления ZBLAN-волокна компаниями Made in Space и FOMS ZBLAN – стекло из смеси фторидов циркония, бария, лантана, алюминия и натрия. Волокна со ZBLAN имеют чрезвычайно низкий уровень потерь от поглощения и рассеяния. Космическая станция позволит без напряжения от силы тяжести извлекать гораздо более длинные волокна без образования кристаллов и примесей. Обе компании обещают волокно с параметрами, которые будут в 100 раз лучше изготовленного на Земле, длиной десятки километров. Преимущества, согласно исследованиям компании Made in Space: • образование «кристаллов» в десять раз меньше; • передача сигнала дальше «классических» кабелей; • получение 4-х км ОВ из 4-х кг «космических заготовок»; • прокладка «космического» ОВ ZBLAN через всю Атлантику без единого повторителя; • превышение показателей пропускной способности ОВ ZBLAN над классическим кварцевым ОВ в 50–100 раз. Космическая установка для орбитального дистанционного производства (SPACEFORM) Аэрокосмические оптоволоконные кабели компании GORE (США) 1 – внешняя оболочка; 2 – защитная мембрана; 3 – двойной буфер; 4 – ударопрочный слой; 5 – ePTFE (фторопласт-4) не мнущийся слой; 6 – оптоволокно. Такие кабели обеспечивают отличную целостность сигнала для высокоскоростной передачи данных в широком диапазоне температур, устойчивы к раздавливанию, перегибам и истиранию, с затуханием менее 0,2 дБ / м. Аэрокосмические оптоволоконные кабели компании GORE (США) Аэрокосмические оптоволоконные кабели компании GORE (США) Область применения: • сети авионики (системы в авиации в качестве бортовых приборов); • системы управления кабиной; • цифровые видео системы; • системы управления полетом; Аэрокосмические оптоволоконные кабели компании GORE (США) Область применения: • системы развлечений на борту самолета (IFE); • магистраль Ethernet (семейство технологий пакетной передачи данных м/у устр-ми для компьютерных и промышленных сетей); • трансиверы (приёмопередатчики); • метеорологические радиолокационные системы. Роль ОК в компьютерных сетях ОК обеспечивают: интернет, кабельное телевидение и телефонные системы. Скорость интернета до 1 Гбит/c. Аэрокосмические оптоволоконные кабели компании GORE (США) Преимущества: • целостность сигнала до и после установки с затуханием менее 0,2 дБ / м; • высокоскоростная передача данных на большие расстояния, минимум/отсутствие доп. усиления сигнала; • долговечность, благодаря системе двойной буферизации для продления срока службы; Оптический усилитель Аэрокосмические оптоволоконные кабели компании GORE (США) Преимущества: • надежность при темп-х в диапазоне от -60 ⁰ до 135 ⁰ C; • гибкий с узким радиусом изгиба для удобной прокладки в ограниченном пространстве; • увеличенная пластика волокна при сжатии для улучшения подключения к стандартным разъемам. Карта волоконно-оптической протяженности в США кабельной сети большой
