microbik.ru
1 2 3
Оптическое волокно к конечному пользователю шло долго, преодолевая всяческие препятствия. Протискивалось в кабельной канализации, висло на опорах, забиралось в сырые подвалы и, наконец, зашло в дом. Там ему пришлось пробираться по узким коридорам, огибать колонны и косяки, втискиваться в тесно набитый кросс, теряя при этом самое важное — переносимый свет.

В последние два-три года начинают сбываться самые смелые прогнозы относительно дальнейшего продвижения волоконно-оптических технологий на телекоммуникационных сетях доступа. Реализация концепции FITL (fiber in the loop, «волокно на абонентской линии») позволяет построить действительно широкополосную, многофункциональную, гибкую, управляемую, надежную сеть доступа, вместо оставшегося в прошлом веке набора абонентских линий различных типов.

Лидеры этого направления (Япония, Южная Корея, США, Франция, Швеция и др.) активно применяют сценарий с наибольшей «степенью проникновения волокна» к пользователю — FTTH (fiber to the home, «волокно в квартиру»). В рамках такой архитектуры вполне могут быть использованы самые различные варианты: пассивная оптическая сеть (PON), активная оптическая сеть (AON), Ethernet 100 Mбит/с «точка-точка» (типа E-FTTH) и другие варианты. Всех их объединяет простота реализации, максимальная широкополосность, возможность масштабирования, реальная интерактивность и много других преимуществ. В такой сети доступа вполне реально можно предоставлять абонентам услуги Triple Play с заданным качеством.

Однако, как и всякая хорошая идея, она требует материального обеспечения. И если стоимость оптического кабеля уже сравнима с ценой медного малопарного, то затраты на монтаж и измерения, а также стоимость оптоэлектроники (излучатель + фотоприемник) еще способны существенно удорожить проект. Причем важным направлением являются исследования и разработки, позволяющие не столько уменьшить стоимость отдельных компонентов, сколько привести к улучшению окупаемости проекта в целом. В этом плане показательным фактом является разработка новых технологий в двух направлениях. Во-первых, совершенствуются технологии прокладки кабеля: в канализации, внутри кварталов вне канализации и внутри строений. Некоторые производители также продвигают концепцию микроканалов, или трубчатых кабелей, при которой происходит как бы конвергенция понятий кабеля и кабельного канала. Второе направление — это разработка новых типов оптических волокон и кабелей. Эти конструкции призваны наиболее полно обеспечить специфические требования сетей FTTH.

В последнее время именно в этой сфере произошел некий качественный скачок — разработка одномодовых оптических волокон нового типа, чего не наблюдалось уже достаточно давно. Новый класс волокон отличается пониженными потерями на изгибах малого радиуса и предназначен для использования в кабелях оптических сетей доступа.

В сетях FTTH конструкция принципиально важна для волоконно-оптических сетей, прокладываемых в многоквартирных домах (MDU, Multiple Dwelling Unit), поскольку здесь присутствуют ограниченные пространства, множество комнат, колонн — т.е. мест поворота трассы под углом 90°. Кроме того, в таких зданиях выше потребность в кроссовых устройствах большой емкости и этажных распределительных боксах. А в сильно разветвленной сети частных и коттеджных строений кабели с малым допустимым изгибом, при прокладке на чердаках и в подвалах, очевидно позволят сэкономить несколько совсем не лишних децибел общего «бюджета» оптической мощности.

Среди ключевых преимущества данного типа волокон разработчики отмечают следующие возможности их использования:

1. В соединительных шнурах при плотном размещении портов и кабельных организаторов. Таким образом экономится место на оптическом и кроссовом оборудовании в жилых строениях без специально отведенных для него помещений, улучшается надежность сети в целом.

2. В кабелях, прокладываемых в стесненных условиях внутри многоквартирных домов или служебных помещениях. Это упрощает требования к проектированию и монтажу внутренних фрагментов сетей, экономит оптический «бюджет» линии.

3. В кабелях с малыми геометрическими размерами отдельных волокон или волоконных лент. Это уменьшает стоимость кабеля, экономит полезное сечение кабельных лотков и каналов.

4. Во внутренних кабелях при их упрощенном и жестком монтаже с применением скоб. Позволяет сократить время и затраты на монтаж, снизить требования к квалификации монтажников.

Такие достоинства, несомненно, требуют более подробного рассмотрения принципов функционирования и более подробных технических параметров упомянутых волокон.
В декабре 2006 года вышла новая Рекомендация ITu-T G.657, нормирующая параметры и характеристики одномодовых волокон (ОВ), малочувствительных к изгибам и предназначенных для использования на оптических сетях доступа (СД). Этот нормативный документ отразил технологический прогресс ведущих производителей ОВ в создании упомянутых волокон нового типа BI (bend insensitive, «нечувствительных к изгибам»). Основной предпосылкой для разработок в данном направлении явился качественный скачок в практическом внедрении концепции FTTH в развитых странах в 2002–2004 гг., а также активное использование оптического Gigabit Ethernet, особенно на магистральных и кампусных (между зданиями) участках сетей.

Значительная часть таких инсталляций выполняется внутри помещений, где трассы зачастую проходят под прямыми углами, в условиях стесненного пространства и используют компактные распределительные устройства. Для сетей большой емкости характерны плотная укладка соединительных шнуров и компактное размещение разъемов в кроссовых панелях. Все эти обстоятельства требуют укладки оптических кабелей и шнуров с малыми радиусами изгибов. Исследования показали принципиальное преимущество использования ОК с допустимым радиусом изгиба не более 10 мм и не более 5 мм. В этих случаях могут быть значительно сокращены затраты на прокладку кабелей по реальным трассам, значительно уменьшены размеры кассет и кабельных боксов, допускается более плотное расположение шнуров и разъемов в кроссе.

Однако вернемся ненадолго к истории вопроса.

Проблема уменьшения радиуса изгиба волокна без внесения значительных потерь возникла на телекоммуникационных транспортных сетях еще в прошлом десятилетии, когда стали активно применяться многоволоконные кабели и оптические кроссовые устройства. Задача была решена за счет модификации традиционного ступенчатого профиля показателя преломления (рис. 1а), а также разработки волокон с дипрессированной оболочкой (рис. 1б) и уменьшенным диаметром модового поля (рис. 1в). Это позволило нормировать радиус изгиба до 30 мм.

http://www.sib.com.ua/arhiv_2008/2008-5/opt/5_10_22.jpg

http://www.sib.com.ua/arhiv_2008/2008-5/opt/5_10_23.jpg

Рис. 1. Профили показателей преломления одномодовых оптических волокон:

а — волокно с традиционным ступенчатым профилем показателя преломления;

б — волокно с дипрессированной оболочкой; в — волокно с уменьшенной

сердцевиной и, соответственно, уменьшенным диаметром модового поля;

г — волокно с уменьшенным показателем преломления оболочки;

д — волокно, с кольцевой «траншеей» в оболочке; е — микроструктурированное

волокно HAF (Holed Assisted Fiber) с уменьшенными потерями на изгибах

Нынешняя же потребность в еще меньших радиусах изгиба ускорила преобразования конструкции волокна. И здесь возможно несколько вариантов:

1) уменьшение сердцевины и, соответственно, диаметра модового поля (MFD, Mode Field Diameter) волокна;

2) уменьшение показателя преломления оболочки (как правило, за счет легирования кварцевого стекла фтором);

3) использование нескольких оболочек с различными показателями преломления;

4) микроструктурированные волокна, с кварцевой сердцевиной и оболочкой с продольными отверстиями.

Каждый способ имеет свои преимущества, недостатки и нашел свое воплощение в разработках ведущих мировых производителей. При их сравнении, с целью оптимального выбора для определенной задачи, необходимо учитывать следующие критерии:

• реальные величины вносимых потерь на однократных и многократных изгибах волокон нового типа, а также шнуров и кабелей на их основе;

• вопрос «обратной совместимости», т.е. возможности соединения новых волокон с установленными ранее стандартными одномодовыми волокнами (типа G.652) без существенных потерь;

• требование небольших потерь при сварном соединении волокон между собой, а также при соединении с помощью механических соединителей;

• возможность измерения параметров линий на таких волокнах методом обратного рассеяния (рефлектометрия) и другие способы тестирования;

• невысокая стоимость и технологичность производства.

Первое решение задачи, что называется, «в лоб», было реализовано в виде волокон с уменьшенной сердцевиной (см. рис. 1в). С уменьшением диаметра модового поля (Mode Field Diameter, MFD) энергия концентрируется в сердцевине и меньше распространяется в оболочке. Соответственно, меньшая ее часть будет преобразовываться на изгибах в моды оболочки. Этот способ достаточно просто реализуется технологически, однако возникает вопрос несовместимости с традиционными волокнами G.652, имеющими больший диаметр модового поля и меньшую длину волны отсечки. Кроме того, в разъемных соединениях таких волокон будут расти потери из-за сложности стыковки малых MFD.

Волокна с увеличенной разностью показателей преломления также легко реализуемы за счет легирования оболочки фтором, понижающим показатель преломления оксида кремния (рис. 1г). Такие волокна должны стыковаться между собой без особых проблем, но возникнут существенные потери при стыковке (и в разъемах, и при сварке) с наиболее распространенными волокнами G.652 из-за разности числовых апертур. Увеличение разности показателей преломления также ухудшает некоторые параметры передачи волокон, в частности увеличивает материальную дисперсию в диапазоне длин волн свыше 1310 нм.

Наиболее удачной сейчас считается разработка с так называемой кольцевой «траншеей» профиля показателя преломления. Часть области оболочки дополнительно легируется присадками, понижающими показатель преломления (рис. 1д). Попросту говоря, кроме границы раздела сердцевина/оболочка мы создаем дополнительный барьер для вывода излучения — границу раздела оболочка/«траншея». Исследования специалистов компании Corning показали, что чем объемнее «траншея», тем более эффективно удержание поля в волокне и меньше потери на изгибах. При этом разработанное оптическое волокно практически полностью совместимо с традиционными одномодовыми волокнами со ступенчатым профилем (G.652) и имеет вполне приемлемые потери в сварных соединениях между собой. Конечно, технологически обеспечить геометрические и оптические параметры всех слоев несколько сложнее, чем обычно, что, соответственно, увеличивает стоимость таких волокон. В принципе, по расчетам ученых, при большом количестве «траншей» можно получить на изгибе с радиусом 10 мм потери менее 0,001 дБ! Но в настоящее время такие решения не будут достаточно экономичными. Кроме того, при дальнейшем увеличении объема «траншеи» или количества слоев увеличивается критическая длина волны, которая может превысить нормируемое значение 1260 нм, т.е. возникнет проблема несовместимости с волокнами со ступенчатым профилем G.652.

Три рассмотренные выше конструкции волокон соответствуют требованиям, указанным в Рекомендации ITU-T G.657, табл. А, где самое малое нормированное значение радиуса изгиба составляет 10 мм. Следующая же разработка позволяет получать незначительные потери даже при изгибе радиусом 5 мм, что соответствует положениям табл. B этой же Рекомендации.

Такую возможность предоставляет принципиально новая конструкция с уменьшенными потерями на изгибах — микроструктурированные волокна типа HAF (holed assisted fiber). Уже рассмотренная выше идея создания двойного защитного барьера здесь исполнена методами нанотехнологий. Вокруг кварцевой сердцевины по периметру условного шестиугольника располагаются два кольца из полых воздушных сквозных отверстий, обеспечивающих полное внутреннее отражение на границе раздела кварц/воздух (рис. 1е, 2б). Второй слой нужен для отражения излучения, частично проникающего за пределы первой периодической структуры. Исследования показали, что при оптимальном подборе диаметра отверстий d и шага размещения первого и второго слоя L1, L2 можно получить потери менее 0,1 дБ на изгибе с радиусом до 5 мм!

http://www.sib.com.ua/arhiv_2008/2008-5/opt/5_10_24.jpg

Рис. 2. Конструкция и принцип действия микроструктурированных волокон типа HAF:

а общая конструкция; б — поперечное сечение

http://www.sib.com.ua/arhiv_2008/2008-5/opt/5_10_25.jpg

Рис. 3. Действие стандартных одномодовых волокон и микроструктурированных

волокон типа HAF на изгибе: а — выход излучения на изгибах волокон G.652;

б — удержание излучения на изгибах волокон G.657

На рис. 3 показан механизм удержания излучения на изгибах в микроструктурированных волокнах. К сожалению, невозможно производить такие конструкции традиционными методами. Достаточно сложно обеспечить требуемое взаимное расположение всех структурных элементов и точно соблюсти их размеры. Несоблюдение внутренней геометрии может даже привести к нарушению одномодового режима. Все это значительно увеличивает удельную стоимость таких конструкций. Также существует серьезная проблема стыковки таких волокон (с диаметром модового поля около 6,4 мкм) как со стандартными волокнами G.652, так и между собой. Именно в месте сварного соединения наверняка будет нарушена структура воздушных отверстий в оболочке, хотя сохранится положение кварцевой сердцевины. И это важно, так как в месте сварки изгибов не будет (из-за наличия 60-милиметровой защитной гильзы), а в оставшейся части структура волокна останется прежней — с отверстиями.

Тем не менее, такие волокна производятся несколькими компаниями — мировыми лидерами в области волоконной оптики и доступны для специальных применений.

За последние годы все традиционные лидеры отрасли, а также некоторые молодые компании внесли свой вклад в разработку волокон нового типа (табл. 1). Однако существуют некоторые различия параметров (табл.2), характеризующие особенности каждого разработчика. Хотя в целом, по основному параметру — потерям на изгибах с малым радиусом, они все удовлетворяют техническим потребностям сетей FTTH.
http://www.sib.com.ua/arhiv_2008/2008-5/opt/5_10_26.gif

http://www.sib.com.ua/arhiv_2008/2008-5/opt/5_10_27.gif
Следует помнить, что новые типы волокон просто удерживают свет в сердцевине и обеспечивают минимальный вывод излучения при изгибных нагрузках, но вовсе не защищают волокна от таких нагрузок. Механическую прочность волокон обеспечивают собственное защитное покрытие и конструкция оптического кабеля. Именно кабель является физическим элементом, обеспечивающим работу волокон любого типа в заданных условиях эксплуатации.

Волокна в двойном черном квадрате

Применяемые на сетях FTTH конструкции оптических кабелей (ОК) могут достаточно сильно отличаться в зависимости от конфигурации сети и условий прокладки таких кабелей. Например, для обеспечения пользователей частных домов или коттеджей чаще используются ОК с небольшим количеством волокон: подвесные — на внешнем («уличном») участке и малогабаритные негорючие — внутри помещений (рис. 4). Во многоквартирные дома ОК, как правило, прокладываются в кабельной канализации. Далее все зависит от схемы. При системе FTTB (fiber to the building, «волокно к строению») применяются маловолоконные (small count) кабели, а при собственно FTTH, наоборот — кабели большой емкости (по количеству абонентов).

http://www.sib.com.ua/arhiv_2008/2008-5/opt/5_10_28.jpg

При различных условиях использования технические требования к кабелям оптических сетей доступа также будут отличаться. В частности, подвесные кабели должны иметь большую прочность к растягивающим усилиям, хорошую защиту от попадания влаги, влияния ультрафиолета, стойкость к сильным перепадам температур, раздавливающим и ударным нагрузкам, конструкцию, удобную для крепления на опорах.

ОК для прокладки в каналах кабельной канализации должны обладать хорошей защищенностью к растягиванию, кручению, образованию петель, раздавливанию. Конструктивно ОК должен быть защищен от попадания влаги и возможного повреждения грызунами. Внутренние ОК должны быть гибкими, защищенными от некоторых растягивающих, ударных, раздавливающих нагрузок, удобными при прокладке и монтаже, неподверженными распространению пламени (негорючая оболочка), отличаться малыми габаритами и весом.

Рассмотрим наиболее характерные и удачные конструкции ОК, разработанные для оптических сетей доступа лидерами кабельной промышленности — компаниями Commscope, Corning Cable System, Draka Comteq, Alkoa Fujikura, OFS, Prysmian, Sumitomo и Hitachi Cable.

На большинстве участков FTTH традиционно используются кабели с трубчатым сердечником (UniTube, Central Tube, LightPack и т.п.). Такие конструкции обычно имеют до 12 волокон, малые габариты и вес, небольшую стоимость, стойкость к изгибным и крутящим нагрузкам. Если не учитывать дополнительные конструктивные элементы, то к непринципиальным недостаткам можно отнести слабую защищенность от растягивающих нагрузок (из-за отсутствия центрального силового элемента), раздавливающих воздействий и атак грызунов (из-за малого диаметра кабеля).

Рассмотрим конкретные применения такой конструкции в различных условиях.

Для воздушных (подвесных кабелей) характерна конструкция со встроенным несущим тросом типа «восьмерка» («Figure 8») или самонесущие диэлектрические кабели без металлических элементов (ADSS) с периферийными силовыми элементами из арамидных нитей (рис. 5), обычно с модульным сердечником (типа loose tube).

http://www.sib.com.ua/arhiv_2008/2008-5/opt/5_10_29.jpg


следующая страница >>