Kable optyczne - urządzenia, rodzaje i charakterystyka

Kable światłowodowe, w przeciwieństwie do kabli z żyłami miedzianymi lub aluminiowymi, wykorzystują przezroczyste włókno światłowodowe jako medium do przesyłania sygnału. Sygnał jest przesyłany tutaj nie za pomocą prądu elektrycznego, ale za pomocą światła. Oznacza to, że praktycznie nie poruszają się elektrony, a raczej fotony, a straty transmisji sygnału okazują się znikome.

Kable te idealnie nadają się do przesyłania informacji, ponieważ światło może przechodzić przez przezroczyste włókno szklane praktycznie bez przeszkód przez dziesiątki kilometrów, a intensywność światła nieznacznie spada.

Jest Kable GOF (szklany kabel światłowodowy) — z włóknami szklanymi, oraz Kable POF (plastikowy kabel optyczny) — z przezroczystym włóknem z tworzywa sztucznego. Oba są tradycyjnie nazywane kablami optycznymi lub światłowodowymi.

Urządzenie kabla optycznego

Kabel światłowodowy ma dość proste urządzenie.W środku kabla znajduje się światłowód wykonany z włókna szklanego (jego średnica nie przekracza 10 mikronów), ubrany w ochronną osłonę z tworzywa sztucznego lub szkła, która zapewnia całkowite wewnętrzne odbicie światła dzięki różnicy współczynników załamania światła na granicy z dwóch mediów.

Okazuje się, że światło na całej drodze od nadajnika do odbiornika nie może opuścić żyły centralnej. Ponadto światło nie boi się zakłóceń elektromagnetycznych, dlatego taki kabel nie potrzebuje ekranowania elektromagnetycznego, a jedynie wymaga wzmocnienia.

W celu zapewnienia wytrzymałości mechanicznej kabla optycznego stosuje się specjalne środki — zbrojenie kabla, zwłaszcza w przypadku wielordzeniowych kabli optycznych, w których znajduje się kilka oddzielnych włókien optycznych jednocześnie. Kable podwieszane wymagają specjalnego wzmocnienia metalem i kevlarem.

Najprostsza konstrukcja kabli światłowodowych to włókna szklane w plastikowej skorupie… Bardziej złożoną konstrukcją jest kabel wielowarstwowy z elementami wzmacniającymi, np. do instalacji podwodnej, podziemnej lub podwieszanej.

W wielowarstwowym kablu zbrojonym nośny kabel wzmacniający wykonany jest z metalu zamkniętego w powłoce polietylenowej. Wokół niego umieszczone są przenoszące światło włókna plastikowe lub szklane. Każde pojedyncze włókno jest pokryte warstwą kolorowego lakieru w celu kodowania kolorami i ochrony przed uszkodzeniami mechanicznymi. Wiązki włókien pakowane są w plastikowe tuby wypełnione żelem hydrofobowym.

Plastikowa tuba może zawierać od 4 do 12 takich włókien, podczas gdy łączna liczba włókien w jednym takim kablu może sięgać nawet 288 sztuk. Rury oplecione są nitką napinającą folię zwilżoną żelem hydrofobowym — dla większej amortyzacji wpływów mechanicznych. Rury i kabel centralny są osłonięte polietylenem.Dalej są żyły z kevlaru, które praktycznie zapewniają pancerz skręconej linki. Następnie ponownie polietylen chroniący przed wilgocią, a na końcu powłoka zewnętrzna.

Dwa główne typy kabli światłowodowych

Istnieją dwa rodzaje kabli światłowodowych: wielomodowe i jednomodowe. Wielomodowe są tańsze, jednomodowe droższe.

Kabel jednomodowy zapewnia, że ​​promienie przechodzące przez światłowód pokonują praktycznie tę samą drogę bez znacznych wzajemnych odchyleń, w efekcie wszystkie promienie docierają do odbiornika w tym samym czasie i bez zniekształceń kształtu sygnału. Średnica światłowodu w kablu jednomodowym wynosi około 1,3 μm i właśnie przy tej długości fali światło musi przez nie przechodzić.

Z tego powodu jako nadajnik stosuje się źródło laserowe emitujące światło monochromatyczne o ściśle niezbędnej długości fali.Właściwie kable tego typu (jednomodowe) są dziś uważane za najbardziej obiecujące w przyszłości do komunikacji na duże odległości, ale na razie są drogie i krótkotrwałe.

Kabel wielomodowy mniej „dokładne” niż jednomodowe. Wiązki z nadajnika przechodzą do niego z dyspersją, a po stronie odbiornika następuje pewne zniekształcenie kształtu transmitowanego sygnału. Średnica światłowodu w kablu wielomodowym wynosi 62,5 µm, a zewnętrzna średnica osłony 125 µm.

Wykorzystuje konwencjonalną (nielaserową) diodę LED po stronie nadajnika (długość fali 0,85 μm), a sprzęt nie jest tak drogi jak źródło światła laserowego, a obecne kable wielomodowe mają dłuższą żywotność. Długość kabli tego typu nie przekracza 5 km. Typowe opóźnienie transmisji sygnału jest rzędu 5 ns/m.

Zalety kabli światłowodowych

W taki czy inny sposób kabel optyczny różni się radykalnie od zwykłych kabli elektrycznych wyjątkową ochroną przed hałasem, która zapewnia maksymalne bezpieczeństwo zarówno integralności, jak i poufności przesyłanych przez niego informacji.

Zakłócenia elektromagnetyczne skierowane na kabel optyczny nie są w stanie zniekształcić strumienia światła, a same fotony nie generują zewnętrznego promieniowania elektromagnetycznego. Bez naruszenia integralności kabla niemożliwe jest przechwycenie przesyłanych przez niego informacji.

Szerokość pasma kabla światłowodowego wynosi teoretycznie 10 ^ 12 Hz, czego nie można porównać z obecnymi kablami o dowolnej złożoności. Możesz łatwo przesyłać informacje z prędkością do 10 Gb/s na kilometr.

Sam kabel światłowodowy nie jest tak drogi jak cienki kabel koncentryczny. Ale główny udział we wzroście ceny gotowej sieci nadal przypada na sprzęt nadawczy i odbiorczy, którego zadaniem jest zamiana sygnału elektrycznego na światło i odwrotnie.

Tłumienie sygnału świetlnego podczas przechodzenia przez kabel optyczny sieci lokalnej nie przekracza 5 dB na 1 kilometr, czyli prawie tyle samo, co sygnał elektryczny o niskiej częstotliwości. Ponadto im wyższa częstotliwość — tym większa przewaga medium optycznego nad tradycyjnymi przewodami elektrycznymi — tłumienie wzrasta nieznacznie. A przy częstotliwościach powyżej 0,2 GHz kabel optyczny jest wyraźnie poza konkurencją. Praktycznie możliwe jest zwiększenie odległości transmisji do 800 km.

Kable światłowodowe mają zastosowanie w sieciach o topologii pierścienia lub gwiazdy, całkowicie eliminując problemy z uziemieniem i równoważeniem obciążenia, które zawsze dotyczą kabli elektrycznych.

Doskonały izolacja galwaniczna, wraz z powyższymi zaletami, pozwala analitykom przewidywać, że w komunikacji sieciowej kable optyczne wkrótce całkowicie zastąpią elektryczne, zwłaszcza biorąc pod uwagę rosnący niedobór miedzi na planecie.

Wady kabli światłowodowych

Gwoli uczciwości nie można nie wspomnieć o wadach optycznych systemów transmisji danych, z których głównym jest złożoność instalacji systemów i wysokie wymagania dotyczące dokładności instalacji złączy. Mikronowe odchylenia podczas montażu złącza mogą prowadzić do wzrostu w nim tłumienia. Tutaj potrzebujesz precyzyjnego spawania lub specjalnego żelu klejącego, którego współczynnik załamania światła jest podobny do współczynnika samego zainstalowanego włókna szklanego.

Z tego powodu kwalifikacje personelu nie pozwalają na pobłażliwość, do ich użycia wymagane są specjalne narzędzia i wysokie umiejętności. Najczęściej uciekają się do użycia gotowych kawałków kabla, na końcach których są już zainstalowane gotowe złącza wymaganego typu. Aby rozgałęzić sygnał ze światłowodu, stosuje się specjalistyczne rozgałęźniki dla kilku kanałów (od 2 do 8), ale przy rozgałęzianiu nieuchronnie dochodzi do tłumienia światła.

Oczywiście włókno jest mniej wytrzymałym i mniej elastycznym materiałem niż miedź, a zginanie włókna do promienia mniejszego niż 10 cm jest niebezpieczne dla jego bezpieczeństwa.Promieniowanie jonizujące zmniejsza przezroczystość światłowodu, zwiększa tłumienie przesyłanego sygnału świetlnego.

Kable światłowodowe odporne na promieniowanie są droższe niż konwencjonalne kable światłowodowe. Nagła zmiana temperatury może spowodować pęknięcie włókna. Oczywiście światłowód jest podatny na naprężenia mechaniczne, wstrząsy i ultradźwięki; w celu ochrony przed tymi czynnikami, z osłon kabli stosowane są specjalne miękkie materiały dźwiękochłonne.