Оптическое волокно к конечному пользователю шло долго
advertisement
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. 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! Рис. 2. Конструкция и принцип действия микроструктурированных волокон типа HAF: а — общая конструкция; б — поперечное сечение 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. 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). 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). Рис. 5. Примеры конструкций подвесных кабелей для оптических сетей доступа: а — типа «восьмерка»; б — типа ADSS По причине значительного относительного удлинения арамидных нитей в кабелях ADSS чаще используется более прочная к растяжению модульная конструкция сердечника. Первая конструкция достаточно проста, удобна для подвеса (зажим крепится к несущему тросу), недорога, хорошо защищена от растягивающих усилий (которые прикладываются к тросу), однако наличие металлического элемента требует мер предосторожности по защите от наведенных токов молнии при обслуживании кабеля (заземление). В то же время, полностью диэлектрическая конструкция не подвержена электромагнитным воздействиям, а наличие арамидных волокон придает ОК отличную защищенность при растяжении и гибкость. Однако высокая стоимость и необходимость применения специальных зажимов делают это решение неконкурентоспособным для малобюджетных сетей. Рис. 6. Примеры конструкций ОК FTTH для прокладки в кабельной канализации и внутри помещений: а — ОК для прокладки в кабельной канализации и внутри помещений; б — для прокладки внутри помещений; в — для прокладки внутри помещений (плоский) Для прокладки в кабельной канализации на сетях FTTH часто используются кабели модульной конструкции (loose tube). В ОК трубчатой конструкции, как правило, используется гофрированная броня для защиты от грызунов и случайных ударов, а также периферийные силовые элементы в виде двух стальных стержней, к которым прикладывается растягивающая нагрузка при затягивании в канал (рис. 6а). При вводе таких кабелей в здание должна использоваться оболочка из негорючего материала — поливинилхлорида (PVC) или малодымного безгалогенного пластиката LSZH (low smoke zero halogen). Для прокладки в пластиковых субканалах канализации, а также подвалах, чердаках и внутренних каналах и стояках зданий удачной является конструкция, показанная на (рис. 6б). При всей легкости и гибкости такого ОК он обладает достаточной защитой от механических повреждений и, главное — от грызунов. Это обеспечивается наличием достаточно толстого слоя стекловолоконных лент. Альтернатива в виде повива арамидных нитей выходит более дорогостоящей и не служит надежной защитой от мышиных зубов. В качестве наружного покрова здесь также используется не поддерживающий горение пластикат LSZH. Аналогичное применение имеет плоский маловолоконный кабель, показанный на (рис. 6в). Он имеет хорошую механическую защиту за счет встроенных стальных проволок (вместо которых могут применяться и стеклопластиковые стержни), однако может вызвать некоторые неудобства при прокладке и монтаже. В помещениях потребителей традиционно используются одно- и двухволоконные конструкции круглого и чечевицеобразного сечения (zip-cord), типа «двустволка» (shotgun) и другие (рис. 7). Рис. 7. Примеры конструкций оптических кабелей для прокладки внутри помещений: а — круглого сечения; б — чечевицеобразного; в — типа «двустволка»; г — плоская Защита от возможных ударов, рывков, изгибов и надавливаний в процессе прокладки и эксплуатации обеспечивается слоем арамидной пряжи, что делает такие ОК достаточно дорогими. Правда, такие кабели обычно применяются на коротких участках — от распределительного или кроссового оборудования до оконечного оптического оборудования. Рис. 8. Пример конструкции развивного оптического кабеля Для многоволоконных решений в пределах помещений в последнее время активно используется развивной кабель (breakout cable) (рис. 8). Такой ОК содержит в своей конструкции один или несколько повивов оптических волокон в плотном буфере, свитых вокруг центрального силового элемента, а свободное пространство сердечника содержит упрочняющие элементы из арамидных нитей. В процессе прокладки такого кабеля, при необходимости ответвления, его конструкция легко разделывается, и необходимое число волокон, играя роль малогабаритных кабелей, отводится в нужном направлении. К сожалению, множество защитных элементов и немалые габариты кабеля определяют его достаточно высокую стоимость, которая не всегда оправдывает его применение. Следует сказать, что в этом разделе умышленно не рассмотрены многоволоконные оптические кабели сетей доступа ленточного типа (с трубчатыми, модульными и профилированными сердечниками) из-за их весьма малой популярности на просторах Украины и достаточно отдаленной перспективы широкого внедрения. Отмеченные недостатки последних из рассмотренных конструкций, а также потребность в наиболее эффективном применении волокон нового типа — с уменьшенными потерями на изгибах — стали предпосылкой для разработки японскими компаниями конструкции типа «двойной квадрат». Такой ОК, точнее ряд его модификаций, был целенаправленно сконструирован для применения на сетях FTTH, что даже отражено в его названии (см. следующий раздел). Идея этого двухволоконного кабеля заключается в расположении двух волокон в первичном покрытии (245 мкм) между двумя диэлектрическими армирующими элементами в общей оболочке. Все это выглядит как два слитых квадрата со стеклопрутками, в перепонке между которыми и уложены волокна (рис. 9а). Рис. 9. Конструкции кабелей FTTH типа «двойной квадрат»: а — внутренний двухволоконный; б — внутренний ленточный; в — подвесной ленточный; г — подвесной двухволоконный Для организации воздушной прокладки к первоначальной конструкции органично добавляется несущая стальная проволока. Таким образом, получена классическая, хоть и малогабаритная «восьмерка» (рис. 9в). А учитывая любовь азиатских производителей к ленточным ОК, конструкция может трансформироваться в «двойной квадрат с волоконной лентой» (рис. 9б, г). В чем же еще видят преимущества нового типа кабелей их разработчики? Во-первых, такой кабель можно очень просто и быстро крепить к любой плоской деревянной поверхности (например, плинтусу) с помощью степлера. Этому способствует его плоская поверхность, мягкая LSZH оболочка, недоступность волокон в «межквадратной» перепонке, надежность силовых элементов. Во-вторых, малые габариты и вес позволяют легко прокладывать его во всевозможных внутренних каналах, стояках и т.п. В-третьих, канавки между «квадратами» оболочки позволяют очень легко разделывать кабель, буквально разрывая его двумя пальцами рук. В-четвертых, негорючая оболочка из LSZH обеспечивает пожарную безопасность. В-пятых, волокна типа G.657, мягкая конструкция и малые габариты позволяют изгибать кабель с очень маленькими радиусами изгиба, почти под 90°, что часто бывает удобным на реальных трассах. В-шестых, диэлектрические силовые элементы и достаточно большие, по сравнению с маленькой перепонкой, квадраты оболочки хорошо защищают волокна от растягивания, раздавливания, скручивания, удара. Остается добавить, что «чудо японской техники» имеет все шансы стать популярным и в Украине, естественно, при достаточном развитии сетей FTTH. Преимущества последней конструкции ОК достаточно очевидны, так же, как и достоинства волокон типа G.657, для которых она разработана. Однако авторы этой статьи не удовлетворились описаниями японских разработчиков и решили самостоятельно придумать и провести ряд испытаний для проверки столь необычных свойств новых оптических компонентов. Проводим эксперимент Для проверки свойств волокон с уменьшенным затуханием на изгибах и кабелей с такими волокнами для сетей FTTH специалисты технического отдела компании «ДЕПС» провели ряд экспериментов. Основной целью этих работ являлось подтверждение на практике свойств указанных волокон (в соответствии с критериями, приведенными во втором разделе), выявление преимуществ и недостатков использования в реальных условиях кабелей и шнуров с такими волокнами. В качестве образцов использовались соединительные шнуры, кабели и волокна типа G.657A с «траншейным» профилем показателя преломления (см. рис. 1д). Поэкспериментировать с микроструктурированными волокнами типа G.657В и изделиями из них не удалось, так как пока они в Украину не поставляются из-за очень высокой стоимости. Для начала были проверены потери на изгибах шнуров (патч-кордов, пигтейлов) с волокнами G.657 и G.652 — для сравнения. Опыт 1. Намотанные на оправку диаметром 10 мм два шнура с волокнами в плотном буфере 0,9 мм подсвечивались красным источником с длиной волны 650 нм оптического излучателя MULTITEST МТ3106. На рис. 10 видно яркое свечение (т.е. вывод излучения из сердцевины) для волокон типа G.652. Численные измерения на длине волны 1310 нм показали 0,6 дБ и 0,08 дБ для волокон G.652 и G.657 соответственно. Рис. 10. Витки волокон типов G.652 и G.657 на оправке Опыт 2. На ту же оправку поочередно было намотано по 5 витков соединительных шнуров (патч-корды) диаметром 3,0 мм (волокно в плотном буфере, арамидные волокна, ПВХоболочка) с волокнами указанных типов. По схеме, показанной на рис. 11, были замерены дополнительные потери, вносимые изгибами с помощью источника излучения MULTITEST М3106 и оптического измерителя мощности MULTITEST М1103С. Для традиционных одномодовых волокон результат (7,8 дБ) был значительно большим, чем для волокон с уменьшенным затуханием на изгибах (0,2 дБ). Опыт 3. В распределительный оптический микробокс типа FOBDM с кассетами малого размера S016 был введен двухволоконный кабель марки FinMark FTTH002-SM-01 с волокнами, малочувствительными к изгибам, и два одноразъемных соединительных шнура (пигтейла) с волокнами типов G.652 и G.657. Оба волокна кабеля были сварены с волокнами пигтейлов, места сростков защищены стандартными 60 мм гильзами, а запас волокон и шнуров уложен в кассете. При подсветке сростков красным источником излучения (с длиной волны 650 нм) прибора MULTITEST МT3109 хорошо видно, что при выводе из защитной гильзы явно подсвечивается изгиб пигтейла с волокном типа G.652 (рис. 12). Это связано с тем, что вследствие малого размера кассеты изгиб между этим волокном в гильзе и волокном, уложенным в кассете, имел радиус кривизны примерно 20 мм. Дополнительные потери в этом месте составили примерно 0,2 дБ. В то же время видно, что три волокна типа G.657 не подсвечены, а измерение оптическим измерителем мощности MULTITEST МT1103C не выявило в местах изгибов каких-либо потерь. Также был проведен ряд экспериментов по сварке волокон с пониженной чувствительностью к изгибам между собой и со стандартными одномодовыми волокнами типа G.652D. Значения потерь на сварке предполагалось оценивать на базе собственной программы тестирования сварочного оборудования с помощью боковой подсветки (метод PAS) и с использованием оптического рефлектометра Radiantech UFO-320. Опыт 4. На сварочном аппарате Fujikura FSM-60S было проведено 20 сварок волокон G.657 из кабеля FinMark FTTH002-SM-01 между собой в различных режимах. Наиболее типичные значения потерь на сростках, определенные FSM-60S, находятся в диапазоне 0–0,02 дБ (рис. 13а). При этом эмпирически было определено, что наиболее удачными являются два режима автоматического определения аппаратом типа волокон (и, соответственно, режима сварки): «Auto» и «Auto SM». Рис. 13. Распределение потерь на сварных соединениях однотипных и разнотипных волокон: а — сварка волокон «G.657–G.657»; б — сварка волокон «G.657–G.652» На этом же оборудовании было проведено также 20 сварок разных волокон (типа G.652D и G.657). В этом случае FSM-60S показывает в среднем несколько большие значения потерь (рис. 13б), но в целом не выше 0,02–0,04 дБ. В этом случае также удобно пользоваться режимами «Auto» или «Auto SM». Таким образом, однотипные и разнотипные сварные соединения методами геометрической оптики характеризуются как очень качественные. Следующие испытания были связаны с оценкой возможности тестирования оптической линии с волокнами нового типа методом обратного рассеяния. Опыт 5. Была составлена схема для оценки потерь в сварных соединениях методом обратного рассеяния, а также проверки возможности тестирования оптическим рефлектометром волокон с малыми потерями на изгибах (рис. 14). Рис. 14. Схема тестирования оптическим рефлектометром линии с волокнами типа G.657 Для уменьшения влияния «мертвой зоны» в схеме использовалось вспомогательное волокно типа G.652D в кассете длиной 200 м. Такое же волокно использовалось в соединительных шнурах (патч-кордах и пигтейлах). Тестовый образец кабеля FinMark FTTH002SM-01 длиной 40 м содержал два волокна типа G.657. Для уменьшения отражений от разъемов использовались коннекторы типа APC. Рефлектометр UFO-320 тестировал собранную линию на длине волны 1550 нм, длительность импульса — 10 нс, диапазон расстояний: 0–6 км, интервал накопления — 5 мин. Рис. 15. Рефлектограмма участка линии, включающего волокна с уменьшенными потерями на изгибе Примеры рефлектограмм показаны на рис. 15. По результатам рефлектометрических измерений можно сделать следующие выводы: а) потери на сварке волокон «G.657–G.657» (точка 1 на рис. 14) очень малы (0,01–0,03 дБ) и практически неразличимы на уровне шумов рефлектограммы; б) потери на сварках «G.657– G.652D» (точки 2 и 3 на рис. 14) достаточно малы и неразличимы на рефлектограмме с учетом отражений от ближайших разъемов; в) рефлектограмма линии после места сращивания волокон различных типов показывает некоторое возрастание уровня отраженного сигнала вследствие разности диаметров модового поля и числовых апертур в волокнах разного типа. Последний эффект может привести в процессе тестирования к неверной оценке потерь на сростках. Однако, если это принципиально важно, проблема может быть решена повторным измерением с противоположного конца. Достаточно важный практический аспект прокладки кабеля с волокнами нового типа в стесненных условиях был воспроизведен нами в следующем опыте. Опыт 6. Кабель конструкции FinMark FTTH002-SM-01 был проложен в кабельном канале малого сечения (5х8 мм) вдоль косяка двери офисного помещения с поворотом трассы под углом 90 градусов Проложенный кабель имел в месте поворота изгиб с радиусом 12–15 мм (рис. 16). Рис. 16. Кабель FTTH, проложенный в канале с малым радиусом изгиба Набором в составе оптического источника излучения MULTITEST МТ3106 и измерителя мощности MULTITEST МТ1103С были проведены измерения вносимых потерь на длинах волн 1310 нм и 1550 нм в режиме непрерывного измерения (без низкочастотной модуляции). На длине волны 1310 нм детектор колебался в диапазоне 0–0,01 дБ, что соответствует уровню его собственных шумов, а на 1550 нм показал величину 0,02–0,03 дБ. Это соответствует требованиям нормативных документов и позволяет успешно производить практическую прокладку кабеля такого типа. Еще один интересный эксперимент должен был дать одновременно представление и об уровне мощности, выводимой на изгибах из соединительных шнуров, и о возможностях их тестирования. В этом случае мы использовали идентификатор оптических волокон MULTITEST MT3306A. Детектор, работающий на принципе вывода излучения на изгибе, предназначен для определения (точнее, для приблизительной оценки) уровня оптической мощности и ее направления в соединительных шнурах (патч-кордах, пигтейлах). Для этого имеется набор сменных головок. Опыт 7. Оптическими соединительными шнурами с диаметрами 0,9 мм и 3 мм и волокнами типов G.652 и G.657 соединялись напрямую источник излучения MULTITEST МT3109 и оптический измеритель мощности MULTITEST МT1106С. Посредине участка шнур без снятия покровов вводился в идентификатор MULTITEST MT3306A. При этом использовались длины волн 1310 нм, 1550 нм и низкочастотная модуляция сигнала: 270 Гц, 1 кГц и 2 кГц. Значение уровня мощности на идентификаторе сверялось со значением на детекторе измерителя мощности. При тестировании шнуров с волокнами G.652 оптический идентификатор четко определял направление передачи, длину волны, частоту модуляции и оптическую мощность даже при наличии в шнуре слоя арамидных волокон (рис. 17а)! Конечно, определяемый им уровень мощности имел достаточно большое отличие от показаний измерителя мощности (± 0,5…2,8 дБ в зависимости от длины волны и частоты низкочастотной модуляции), однако нужно учитывать, что прибор, по сути, предназначен только для определения наличия сигнала. Рис. 17. Тестирование оптических шнуров с волокнами типа и G.657 с помощью идентификатора волокон (на фото подключен к волокну G.652) При тестировании шнуров с волокнами G.657 картина сильно отличалась (рис. 17б). Оптический идентификатор постоянно «путался» с длиной волны, частотой модуляции и даже направлением передачи. Оптическую же мощность он определял с точностью ± 9…32 дБ (если это можно назвать точностью), а на длине волны 1310 нм вообще не улавливал прохождение излучения! Таким образом, можно утверждать, что излучение на изгибе этих волокон было на уровне собственных шумов детектора. Проведенное испытание имеет еще один интересный аспект. В последние годы большое внимание уделяется вопросам защиты информации в корпоративных сетях. Как известно, оптические волокна наиболее удачная, в этом смысле, направляющая система. Вокруг оптического кабеля (в отличие от медных) не возникает электромагнитное поле, вызванное прохождением сообщений. Тем не менее, есть возможность снятия сигнала с волокон в кабеле контактным способом — на изгибе. Так вот, результаты последнего эксперимента позволяют сделать вывод о том, что контактный съем информации с волокон типа G.657 крайне затруднен, а на длине волны 1310 нм — практически невозможен. Подводя итоги теоретических исследований u1080 и практических экспериментов по выявлению свойств оптических волокон и кабелей нового типа, можно сказать, что ОВ G.657 и кабели на их основе — новый технологический прорыв в плане внедрения оптических технологий на сетях доступа (и локальных сетях) и значительного продвижения концепции FTTH. Уже сейчас специализированные кабели на основе таких волокон способны явно улучшить оптический «бюджет» проектируемых сетей. Притом что работы по дальнейшему совершенствованию их конструкций продолжаются во всех научных центрах и исследовательских лабораториях крупнейших производителей. Дальнейшее совершенствование микроструктурированных волокон, переход в технологическую фазу разработок волокон с воздушной сердцевиной позволит на порядок улучшить параметры современных конструкций. Дальнейшие разработки волокон типа G.657B могут стать толчком к разработке нового поколения миниатюрных распределительных устройств и кроссовых устройств с повышенной плотностью размещения соединительных компонентов, что, в свою очередь, даст толчок для новых технологий. Однако и существующие конструкции подтвердили на практике весьма высокие технические характеристики новых волокон и кабелей. Эксперименты с образцами оптического кабеля FTTH и оптических шнуров показали отличные результаты по сравнению с G.652 при прокладке по реальным трассам (с изгибами, сжатием, растягиванием и т.д.). Не подтвердились опасения на счет дополнительных потерь при сварке волокон G.657, совместимости с существующими волокнами типа G.652 и проблем с тестированием. Кроме того, при оценке результатов, полученных опытным путем, была отмечена дополнительная возможность хорошо обеспечивать защиту информации в оптических кабелях от снятия ее контактным способом. Потери излучения на изгибе оптического волокна Как известно, при распространении света в оптических волокнах используется принцип полного внутреннего отражения лучей от границы раздела сердцевина/оболочка. Принцип соблюдается, если, упрощенно говоря, угол падения луча достаточно велик, т.е. свет падает полого к плоскости отражения (рис. А, Б). При изгибе волокна с каким-то малым радиусом нарушается угловое условие, и часть излучения уходит в оболочку, где потом и высвечивается. С точки зрения электродинамики, тот же процесс можно объяснить в других терминах. Поле распространяемого излучения, концентрируясь в сердцевине, частично выходит в оболочку (поэтому диаметр модового поля всегда немного больше, чем диаметр сердцевины), затухая по экспоненциальному закону. В месте изгиба волокна эта периферийная часть моды распространяется с фазовой скоростью, превышающей скорость света в среде оболочки и, в конце концов, излучается. Кроме того, происходят частичные потери энергии при переходе от прямолинейного участка к изогнутому и от изгиба к прямому волокну. Это связано с тем, что модовые пятна криволинейного и прямого участков не совпадают, и часть мощности основной моды передается модам оболочки. Достаточно интересным моментом является спектральная зависимость потерь на изгибах. Как известно, в стандартных одномодовых волокнах типа G.652 с ростом длины волны затухание на изгибах явственно увеличивается (рис. В, верхняя кривая). Это объясняется тем, что чем дальше от длины волны отсечки (1260 мкм) проходящее излучение, тем больше оно выходит в оболочку, увеличивая диаметр модового поля (рис. Г). Кстати, именно поэтому при проблемах эксплуатации оптического кабеля, связанных с возможными деформациями волокон, их лучше тестировать на длинах волн 1550 нм и 1625 мкм. Практическое исследование величины потерь на изгибе волокон типа G.657, выполненное специалистами компании OFS, показало крайне слабую зависимость от длины волны (рис. В, нижняя кривая), что очень удобно, например, для систем с различного типа спектральным уплотнением. Что касается качества разъемных соединений, то чисто теоретически некоторое уменьшение диаметра модового поля и более сложный многослойный профиль волокон с уменьшенным изгибом должны были бы усложнить стыковку таких волокон. Однако испытания, проведенные специалистами компании ADC, показали, что основные параметры (вносимые потери IL и потери на отражение RL) разъемов, использующих волокна типа G.657, практически не отличаются от разъемов с волокнами типа G.652. Это говорит о малых допусках и высоком уровне соблюдения геометрических характеристик ОВ.
