CC BY
19УДК 62
Игнат Н.И.
студент, Центр заочного обучения по программам магистратуры Московский технический университет связи и информатики
(г. Москва, Россия)
АНАЛИЗ ЭТАПОВ ПРОИЗВОДСТВА СОВРЕМЕННЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ
Аннотация: в данной работе проведен анализ этапов изготовления оптоволоконных кабелей на основе современных технологий, применяющихся в настоящее время в России, а также в других странах. Учитывая, что волоконно-оптические сети являются неотъемлемой частью инфраструктуры любого населенного пункта, будь то поселок или крупный город, следует обратить особенное внимание на процесс производства оптоволоконных кабелей.
Ключевые слова: оптоволоконный, волоконно-оптический кабель, сердцевина, оболочка, многомод, одномод, производство.
Оптоволокно изобретено во второй половине прошлого столетия, и с тех пор произошло гигантское развитие технологий в этой сфере. Ежегодно появляются новые технологии производства, улучшающие показатели волоконно-оптических кабелей.
Существует много типов волоконно-оптических кабелей, поэтому процесс производства волоконно-оптического кабеля будет различаться в основном свойствами, используемыми в различных компонентах кабеля, в зависимости от типа кабеля.
Сюда входят все компоненты конструкций оптического кабеля: сердцевина, оболочка, количество волокон, расположение кабеля, наполнение, силовой элемент, изолирующая оболочка, внешняя оболочка и др. (рис. 1).
Каждый из этих компонентов имеет свои особенности, что приводит к бесконечному разнообразию кабелей для каждого конкретного применения.
Рис. 1. Конструкция волоконно-оптического кабеля.
Введение в процесс производства оптоволоконного кабеля.
Волоконно-оптические кабели — это тип кабеля, который может быть изготовлен из чистого кремнезема, легированного кремнезема, стеклокомпозита или пластика. Волокна, изготовленные из чистого или легированного кремнезема, обладают лучшими характеристиками для телекоммуникаций. Стеклянные композитные или пластиковые волокна имеют высокое затухание и низкую пропускную способность и используются, например, в системах освещения на короткие расстояния, с низкой скоростью передачи.
Независимо от того, из какого материала они изготовлены, эти кабели передают данные на большие расстояния с помощью световых сигналов. Они предлагают ряд преимуществ по сравнению с традиционными медными
кабелями, включая более высокую пропускную способность, более высокие скорости и большую надежность.
Процесс производства оптоволоконных кабелей включает в себя несколько ключевых этапов:
1. Производство преформ.
Обычно мы начинаем с кварцевой трубки, изготовленной из сырья (кремнезема) и уже с физическими характеристиками производимого оптического волокна (плотностью). Эта трубка даст начало облицовке.
Сердцевина этой кварцевой трубки будет заполнена газами, которые при нагревании затвердевают и образуют ядро. После заполнения сердцевины из кварцевой трубки образуется стеклянная заготовка, которая представляет собой кварцевую трубку с уже обработанной внутренней частью.
Существует 4 процесса изготовления стеклянной заготовки:
- модифицированное химическое осаждение из паровой фазы,
- плазменно-химическое осаждение из паровой фазы,
- наружное паровое осаждение,
- Осевое осаждение из паровой фазы.
Модифицированное химическое осаждение из паровой фазы - самый распространенный, поэтому поговорим только о нем.
Для достижения конечной цели внутрь кварцевой трубки будут впрыскиваться хлоридные газы в контролируемых концентрациях. Эти газы образуют сердцевину волокна. Трубка вращается вокруг своей оси и нагревается до 1500 градусов. По мере впрыскивания газов они образуют отложения на внутренних стенках трубки. Количество и плотность впрыска этих газов зависит от типа строящегося волокна. После того, как все слои газов осели на внутренней стороне трубки, её закрывают, создавая стеклянную заготовку.
2. Волочильная башня.
После испытаний стеклянная заготовка поступает в волочильную башню. В этом процессе стеклянная заготовка помещается в вертикальную башню и подается в индукционную графитовую печь, которая нагревается примерно до
2000 градусов. При этой температуре стекло становится достаточно податливым, и когда стеклянную заготовку проталкивают через печь, волокно проходит через башню, этот процесс контролируется датчиком диаметра.
3. Покрытие.
После этого процесса оптическое волокно получает свою первую оболочку.
Это покрытие может быть изготовлено из различных материалов в зависимости от применения кабеля.
Покрытие акрилатного волокна. Используется в стандартном телекоммуникационном волокне в виде двойного слоя акрилата (более мягкое внутреннее покрытие и жесткий внешний слой).
Высокотемпературный акрилат. Используется из-за его устойчивости к парам и гелю, используемому в кабеле. Обычно используется в суровых условиях, в промышленном зондировании, а также в военных и аэрокосмических приложениях.
Фторакрилат. Идеально подходит для медицинского применения. Прилипает к поверхности диоксида кремния, покрывая небольшие дефекты и «ремонтируя» эти дефекты, что приводит к повышению прочности волокна на растяжение и замедлению статической усталости.
Силиконовое покрытие. Устойчивое покрытие к водяному пару и ряду химикатов, силикон мягкий и требует буферизации для защиты, обычно с помощью термопластов.
Другие возможные материалы покрытия: акрилатное покрытие, полиимид, углерод, полиэфирэфиркетон, полибутилентерефталат, полипропилен, полиэтилен, поливинилхлорид, Поливинилиденфторид, полиуретан, безгалогенный огнестойкий полиуретан, этилентетрафторэтилен, перфторалкокситефлон.
4. Прокладка кабелей.
Количество волокон в кабеле - еще один аспект, влияющий на конструкцию кабеля. Волокна могут находиться внутри кабеля двумя способами.
В первом способе каждое волокно имеет собственную изоляцию, которая представляет собой защитный слой, нанесенный на волокно, что делает волокно более устойчивым к изгибу и облегчает обращение. Этот буфер обычно имеет внешний диаметр 0,9 или 2 мм и позволяет подключать разъемы непосредственно к этим волокнам. Обычно используется в кабелях внутри помещений.
Во втором способе используется свободная трубка. Пучок волокон, обычно 12, помещается в трубку, позволяющую разместить большое количество волокон в кабеле небольшого диаметра. Эта трубка может иметь или не иметь влагозащитный гель. Этот тип кабеля используется при наружной прокладке, волокна не могут быть заделаны напрямую, но кабель имеет гораздо более высокую устойчивость к ударам и воздействиям окружающей среды.
Будь то плотный буфер или свободная трубка, для создания кабеля нам необходимо сгруппировать волокна.
Существует 12 стандартных цветов, обозначающих волокна внутри кабеля. Если в кабеле более 12 волокон, нам необходимо создать подблоки, чтобы все волокна были идентифицированными. После того как волокна сгруппированы и идентифицированы, следующим шагом будет выбор использования кабеля: внутренний или наружный.
У кабелей, предназначенных для использования внутри помещений, оболочка сконструирована таким образом, чтобы причинить наименьший вред людям в случае пожара. Они производят мало дыма и не содержат материалов, выделяющих при горении токсичные газы (фтор, хлор, бром и йод). Таким образом, внутренний кабель имеет класс с низким содержанием дыма и галогенов.
В отличие от внутренних кабелей, наружные кабели производятся с другими требованиями: устойчивость к воздействию окружающей среды, влажности, изменениям температуры, ударам и ультрафиолетовым лучам от прямого воздействия солнца, животных и т. д. Наружные кабели нуждаются: в высокой устойчивости к растяжению в случае самонесущих кабелей, высокой
устойчивости к грызунам и другим животным в кабельных каналах или под землей, а также в ряде других характеристик в зависимости от места установки.
5. Тестирование и проверка:
После того как стеклянная заготовка проходит через волочильную башню и становится оптическим волокном, она подвергается серии механических, оптических и геометрических испытаний.
Первое испытание - прочность на растяжение. При этом волокно должно выдерживать нагрузку не менее 7000 кг/см2. После прохождения этого теста волокно укладывают на катушки.
Попав на катушки, волокно подвергается ряду оптических тестов, таких как затухание (измеритель мощности) и равномерность затухания вдоль волокна. Многомодовое волокно также, как и одномодовое тестируется на ширину полосы пропускания и числовую апертуру, которая контролирует количество мод, допускаемых волокном.
Геометрические испытания включают измерения диаметров сердцевины, оболочки и покрытия на предмет деформации форм и смещения сердцевины/оболочки.
В целом процесс производства оптоволоконного кабеля сложен и требует специального оборудования и опыта. Однако полученные кабели обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными медными кабелями, что делает их важной технологией для современных сетей связи.
Контроль качества процесса производства оптоволокна начинается с сырья для преформ и применения сердцевинных газов. Отсутствие примесей в этих двух компонентах волокна имеет первостепенное значение. Различные датчики диаметра контролируют весь производственный процесс от диаметра сердцевины до диаметра оболочки и покрытия.
Разрабатываются новые методы производства. Инструменты обновляются в среднем каждые 18 месяцев, чтобы идти в ногу с этой постоянной эволюцией. На современных производственных площадках преформа нагревается высокоэнергетическим лазером и может производить от 10 до 20
метров волокна в секунду, и от 2 до 25 километров с каждой стеклянной преформой.
Кроме того, основные материалы тоже развиваются. Современные волокна имеют затухание 0,2 дБ/км. Для сердечника разрабатываются несколько других материалов, и наиболее многообещающий из них, фторид циркония, который может обеспечить затухание порядка от 0,005 до 0,008 дБ/км.
6. Применение оптоволоконных кабелей
Оптоволоконная связь заключается в передаче информации от отправителя к получателю с помощью импульсов инфракрасного света. Волоконно-оптическая связь позволяет передавать информацию любого типа, которая может быть преобразована в световые импульсы, как на большие, так и на короткие расстояния. Сигналы видео, голоса, данных (и т. д.) генерируются в оборудовании в виде электрических сигналов. Эти сигналы проходят через схему передачи, источник света, через волокно к фотодетектору и к схеме приемника.
Наиболее распространенными источниками света являются светоизлучающие диоды или лазеры (усиление света за счет вынужденного излучения). Наиболее распространенными фотодетекторами являются диоды РК-перехода и лавинные диоды.
Поскольку передача осуществляется импульсами света, без массы и материи, связь невосприимчива к электромагнитным помехам, обеспечивая надежную, высокоскоростную, недорогую связь с очень низким энергопотреблением. Это делает эту форму передачи идеальной для различных потребностей.
Ниже приведены примеры применения оптоволоконного кабеля.
Автомобильная промышленность.
Салон транспортных средств освещается оптоволоконным кабелем. Он требует мало места, может быть размещен в любом месте автомобиля, потребляет мало энергии, имеет более длительный срок службы и т. д. Он также используется в различном оборудовании автомобиля.
Автоматизация производства.
В производственных условиях оптоволокно является отличным средством связи между машинами и контроллерами или между самими машинами, поскольку оно:
• Позволяет будущие обновления,
• Невосприимчив к электромагнитным помехам,
• Практически невосприимчив к высоким температурам и частым перепадам температуры,
• Позволяет преодолевать большие расстояния, чем медь.
Робототехническая промышленность.
Волокно обеспечивает длительное скручивание, гибкость, прочность и радиус изгиба, идеально подходящий для использования в робототехнике.
Возобновляемая энергия.
Управление ветровой энергией, управление солнечной энергией. В установках этого типа часто возникают ограничения, такие как электромагнитный шум, большие и частые колебания температуры, вибрации, воздействие химикатов (масел), а также необходимость быстрого ремонта, замены кабелей или быстрого внесения изменений к существующей планировке.
Умные города.
Управление городской мобильностью, эффективное общественное освещение, измерения для управления и распределения энергией, измерение энергопотребления, мониторинг утечек воды.
Медицинское оборудование.
Волокно используется в различном медицинском диагностическом оборудовании, таком как эндоскопы, отоскопы, офтальмоскопы. Волоконно-оптические кабели используются в этом и другом оборудовании, поскольку они не имеют или практически не имеют побочных эффектов, являются гибкими и не производят никакого внешнего излучения.
Они также используются в микробиологии и биомедицинском секторе.
Анализ современного способа производства оптоволоконных кабелей позволяет понять важность развития специализированных предприятий по изготовлению волокна внутри страны. Актуальность этой сферы растет огромными темпами, появляются всё новые возможности для применения оптоволокна. Производителям необходимо следить за современными технологиями, чтобы своевременно обновлять оборудование и вводить новые методы изготовления волоконно-оптических кабелей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Мендез А, Морзе Т.Ф. Морзе. Справочник по специализированным оптическим волокнам // Техносфера: Мир связи. 2012. с. 206;
2. Андреев В.А. Направляющие системы электросвязи: Учебник для вузов. В 2-х томах. Том 1. - Теория передачи и влияния / В.А. Андреев, Э.Л. Портнов, Л.Н. Кочановский, - М.: Горячая линия - Телеком, 2009. - 424 с.;
3. Родина О.В. Волоконно-оптические линии связи // М.: Горячая линия -Телеком. 2016. - 400 с.;
4. Устройство волоконно-оптического кабеля: обзор структурных элементов и готовых конструкций [Электронный ресурс]. Шрв^/уо^.ехрег^шеШ-т1отша1:юп/ш1:го181:уо-ор1:1сЬе8ко§о-каЬе1уа (дата обращения: 19.01.2024)
Ignat N.I.
Moscow Technical University of Communications and Informatics
(Moscow, Russia)
ANALYSIS OF THE PRODUCTION STAGES OF MODERN FIBER OPTIC CABLES
Abstract: this work analyzes the stages of manufacturingfiber optic cables based on modern technologies currently used in Russia, as well as in other countries. Considering that fiber-optic networks are an integral part of the infrastructure of any settlement, be it a village or a large city, special attention should be paid to the process of production of fiber-optic cables.
Keywords: fiber optic, fiber optic cable, core, cladding, multimode, single mode, production.
