Об избыточной длине оптического волокна в оптическом кабеле
Б. В. Авдеев, Е. Н. Барышников, О. В. Длютров, И. И. Стародубцев
Во всём мире наблюдается стремительный рост потребления ВОК, и Россия - не исключение. Однако развитие производства ВОК в России имеет ряд особенностей. Удовлетворение всё возрастающих потребностей в ВОК происходит не столько за счёт расширения производства на предприятиях, стоявших у истоков возникновения производства ВОК в России, сколько за счёт увеличения числа фирм-производителей ВОК. У большинства новых фирм-производителей ВОК ещё отсутствуют собственные разработки. Номенклатура выпускаемой продукции и конструкций ВОК новой фирмой-производителем ВОК основывается, как правило, не на собственных научных исследованиях и проектах, а заимствуется у других отечественных производителей ВОК. Определённый выбор может быть сделан и исходя из рекомендаций фирм-поставщиков оборудования, хотя последние не имеют какой-либо заинтересованности в обучении потребителя всем тонкостям процесса производства. Зачастую номенклатура выпускае-мых изделий уточняется постепенно уже после закупки и монтажа оборудования.
Заметное уменьшение роли отраслевой и вузовской науки в данном направлении заставляет наиболее опытных производителей всё в большей степени рассчитывать на самостоятельные исследования и проектные работы. Необходимо отметить, что в случае совместных предприятий в особенности с участием иностранных фирм - признанных авторитетов отрасли, таких как "Fujikura", "Lucent", "Corning", уровень знаний, как в целом, так и по конкретным технологическим процессам, безусловно, возрастает.
Российские производители зачастую недостаточно информированы о номенклатуре, особенностях проектирования оптических кабелей и процессе их изготовления за рубежом. В тех случаях, когда удаётся получить образцы зарубежных волоконно-оптических кабелей на выставках или приобретаемых отечественными фирмами, удаётся проанализировать лишь некоторые параметры конструкций и применяемые материалы. Однако нельзя гарантировать, что иностранные компании поставляют в Россию свои лучшие образцы.
Наблюдающееся в последнее время значительное улучшение качества выпускаемого волоконно-оптического кабеля связано не только с накоплением опыта. Несколько лет назад полностью прекратился выпуск отечественного оптического волокна, качество которого оставляло желать лучшего. Фирмы-производители оптического кабеля стали потреблять импортное оптическое волокно таких признанных лидеров в этой области, как "Fujikura", "Lucent", "Corning", "Plasma Optic" и т.д.
С применением лучшего импортного оптического волокна связано отчасти и некоторое ослабление интереса к собственным исследованиям в этой области. Российские потребители приняли как должное такие достижения как рекордно низкий уровень оптических потерь и малую дисперсию сигнала. Сегодня исследования перешли на качественно более высокий уровень. В центре внимания науки и технологии - проблемы, связанные с поляризационно - модовой дисперсией, спектральным уплотнением и т. п.
Другая проблема - понимание тонкостей изготовления сердечника оптического кабеля, и в частности оптического модуля, - стала основной для производителей оптического кабеля. За последние десятилетия фрагментарно многие стороны этой проблемы достаточно хорошо изучены. Однако, целостные работы, которые бы отслеживали процесс изготовление ВОК от оптического волокна до готового кабеля, авторам не известны. Для того чтобы сформулировать ряд конкретных проблем, с которыми сталкиваются разработчики ВОК, придётся вначале кратко изложить некоторые достаточно известные факты, разумеется, со ссылками. Прежде всего, необходимо отметить характерные свойства кварцевого волоконного световода, являющегося каналообразующим элементом волоконно-оптического кабеля.
Одной из главных причин невозможности применения волоконного световода из кварцевого стекла в натуральном виде (в том виде, в котором он получается после вытяжки), является его низкая механическая прочность. Теоретически механическая прочность бездефектного кварцевого световода выше прочности стальной проволоки такого же диаметра [1]. Однако, например, любое соприкосновение поверхности световода с твёрдым предметом или даже частицей пыли, находящейся в воздухе приводит к появлению на поверхности стекла микротрещин, которые при приложении растягивающей нагрузки F начинают быстро расти (см. рис 1). В результате разрывная прочность световодов оказывается намного ниже теоретического предела прочности кварцевого стекла.
Рис. 1. Схематическая иллюстрация возникновения микротрещин
Следует также отметить, что дефекты, вызывающие уменьшение прочности световода, могут возникать не только вследствие контакта световода с твёрдыми телами, иными воздействиями в процессе или сразу после вытяжки, но и на более ранних этапах его изготовления. В частности, к снижению прочности световода могут приводить инородные частицы которые могут находиться в опорных кварцевых трубах, используемых для изготовления заготовок световодов, микротрещины в заготовках, которые при вытягивании световода трансформируются в поверхностные дефекты световода, частицы пыли в печи для вытяжки световодов. Не будем глубоко вдаваться в технологию вытяжки волоконных световодов и в проблемы, связанные с процессами изготовления кварцевых заготовок и опорных труб, а также самого процесса вытяжки. Отметим лишь, что в результате анализа причин, вызывающих разрушение световодов, были выработаны некоторые общие технологические требования. Эти требования содержат следующее: изготовление заготовок из материала без внутренних включений, химическая и огневая полировка заготовки перед вытяжкой, контроль атмосферы в зоне нагрева, работа в обеспыленном помещении и т. п. [2].
Приблизить реальную механическую прочность получаемого волоконного световода (5-7 ГПа) к теоретической (25 ГПа), рассчитанной на основании различных оценок величины межатомной связи атомов кремния и кислорода, а также защитить световод от взаимодействия с окружающей средой возможно при помощи нанесения защитного покрытия. Его материал выбирается исходя из следующих соображений. С одной стороны, для защиты поверхности световода от реагентов и механических повреж-дений защитное покрытие должно быть достаточно жестким, чтобы выдерживать как продавливающие, так и истирающие нагрузки. В то же время покрытие должно быть достаточно мягким для того, чтобы предохранить световод от боковых сдавливающих нагрузок, являющихся причиной возникновения микроизгибов (см. рис. 2) [1].
Рис. 2. Волоконный световод, соприкасающийся с шероховатой поверхностью
Для удовлетворения перечисленным выше условиям, защитное покрытие волоконного световода выполняется двухслойным. Первый амортизирующий слой выполняется из мягкого полимерного материала, а второй наружный слой из более жёстких полимеров. Волоконный световод с полимерным защитным покрытием получил название "оптическое волок-но". В настоящее время наибольшее распространение получили оптические волокна с защитным покрытием из уретанакрилатов (см. рис. 3).
Рис. 3. Схематическое изображение оптического волокна
Что касается оптических характеристик волокна при приложении к нему растягивающей нагрузки, то большинство авторов говорят о неизменности коэффициента затухания оптического волокна вплоть до его разрушения. Поэтому до недавнего времени отследить механические напряжения в оптическом волокне по изменению его оптических характеристик было практически невозможно. В последнее время разработан целый ряд приборов, позволяющих определить приложенную к оптическому волокну нагрузку, например, по величине брюллиеновского рассеяния ("ANDO") [3] или по величине группового времени запаздывания ("PK Technology"). Однако стоимость этих приборов остаётся очень высокой. Представляется чрезвычайно важным отыскание допустимой величины растягивающей нагрузки, которая может быть приложена к оптическому волокну и которая не приведёт к разрушению волоконного световода и, как следствие, к обрыву оптического волокна в течение его срока службы. На основании формул, приведённых в [4], легко получить зависимость срока службы оптического волокна от приложенной к нему растягивающей нагрузки (см. рис. 4).
Рис. 4. Зависимость срока службы оптического волокна от его удлинения
Видно, что срок службы, установленный потребителем ВОК, в 25 лет обеспечивается при значении удлинения менее 0,36 %, что определяет допустимую величину локальной механической растягивающей нагрузки в пределах 3 Н.
Значительное влияние на процесс разрушения стекла оказывают физико-химические свойства окружающей среды, в первую очередь наличие паров воды. Наличие гидроксильных групп приводят не только к значительному снижению механической прочности и срока службы оптического волокна, но и к увеличению затухания из-за поглощения излучения. Защитное покрытие оптического волокна предохраняет волоконный световод от взаимодействия с окружающей средой. Конечно, полимерное покрытие не может полностью исключить проникновение молекул воды к поверхности волоконного световода, оно может только лишь затруднить этот доступ.
Наличие защитного покрытия у оптического волокна приводит и к некоторым отрицательным последствиям. Основное из них заключается в существенном уменьшении допустимого диапазона температурных воздействий. Например, если волоконный световод работает в диапазоне температур от - 150 С до + 150 С, то оптическое волокно всего лишь от - 60 С до + 85 С. Это связано с тем, что допуск на геометрические размеры первичного покрытия составляет всего лишь несколько микрометров. Неконцентричность или разнотолщинность покрытия не допускается, так как при механических воздействиях может привести к изгибу оси оптического волокна и, следовательно, к дополнительным потерям на макроизгибах. Кроме того, в результате большой разницы температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) кварцевого стекла и полимерных материалов защитного покрытия термоусадка первичной оболочки оптического волокна при охлаждении или нагреве вызывает микроизгибы световода, и как следствие увеличение оптических потерь. Конечно, при применении специальных материалов защитных покрытий (например, некристаллизующихся кремнийорганических эластомеров) можно достичь температуры и - 150 С [5], однако эти материалы, в силу сложности переработки или дороговизны, в промышленном производстве оптического волокна распространения не получили.
Необходимо отметить, что нанесение на волоконный световод защитного покрытия до конца не решило всех проблем, связанных с применением оптического волокна. Стойкость оптического волокна к внешним механическим и химическим воздействиям по сравнению с "голым" волоконным световодом значительно увеличилась, хотя и осталась недостаточной для его использования в качестве самостоятельного изделия. В результате появилась лишь возможность использования оптического волокна в производственном процессе, заключающаяся, по существу, в нанесении дополнительных защитных покрытий, обеспечивающих выполнение разносторонних требований, предъявляемых к работе оптического волокна в составе волоконно-оптического кабеля.
Требования к волоконно-оптическим кабелям в значительной степени определяются условиями их изготовления, хранения, прокладки, монтажа, эксплуатации и т. д. [6], в процессе которых волоконно-оптические кабели могут подвергаться различным внешним воздействиям: механическим, химическим, тепловым, климатическим, биологическим и т. д. Анализ требований по стойкости к механическим воздействиям, показывает, что они в значительной степени определяются условиями прокладки и эксплуатации кабелей. Например, к кабелям, предназначенным для прокладки в грунт механизированным способом, предъявляются высокие требования по стойкости к растягивающим и раздавливающим нагрузкам. К подвесным, подводным и полевым оптическим кабелям предъявляются повышенные требования по стойкости к растягивающим нагрузкам, а к внутриобъектовым кабелям эти требования относительно невелики. Однако к внутриобъектовым кабелям предъявляются повышенные требования по гибкости для обеспечения удобства прокладки и монтажа кабеля в зданиях, сооружениях и внутри аппаратуры. Для нестандартных, в том числе и наиболее тяжелых условий работы используются специальные кабели.
Волоконно-оптические кабели используются в различных климатических зонах: от высокогорных районов до глубин океана, от районов крайнего севера до субтропиков. Поэтому они должны быть стойкими к воздействию и пониженного атмосферного давления до 5,3 · 104 Па, и повышенной относительной влажности до 98 % при + 35 С, и к воздействию инея, росы, соляного тумана и солнечного излучения. К волоконно-оптическим кабелям также предъявляются требования по стойкости к биологическим факторам. Для средней полосы это, прежде всего, грызуны, для тропиков - бактерии, микробы, термиты, плесень и т.д.
Наибольший допустимый интервал рабочих температур необходим для работы подвесных оптических кабелей. При воздействии прямых солнечных лучей температура кабеля может превышать температуру окружающего воздуха на 25 С. Условная максимальная температура окружающего воздуха в летнее время (на территории России) может достигать + 35 С, следовательно, оптический кабель должен нормально работать до + 60 С. В зимнее время года температура не опускается ниже - 40 С. Однако при испарении влаги с поверхности кабеля его температура уменьшается относительно температуры окружающего воздуха. Поэтому диапазон рабочих температур подвесных оптических кабелей составляет - 60 + 60 С. Кабели, предназначенные для прокладки в грунт и коллекторы, должны быть стойкими к воздействию температуры до + 50 С, так как они, в отличие от подвесных кабелей, не подвергаются воздействию прямых солнечных лучей. Однако в кабельной канализации, коллекторах и внутри зданий и сооружений существуют свои источники тепла, например проходящие рядом силовые кабели. Поэтому верхний предел температуры не + 30 С, а + 50 С. Нижний предел температур для таких оптических кабелей ограничивается минимальной температурой окружающей среды: - 10 С для внутриобъектовых и - 40 С для остальных марок. Указанные цифры характерны для ВОК, используемых в средней полосе или в странах с подобным климатом. Естественно эти цифры могут существенно отличаться в зависимости от рассматриваемого региона. Кроме того, для подвесных оптических кабелей необходимыми условиями являются: стойкость к воздействию электромагнитных полей, отсутствие металлических элементов, стойкость к воздействию электрических разрядов (молнии), озоностойкость.
Создание единой конструкции, удовлетворяющей одновременно всем перечисленным выше требованиям, является экономически нецелесообразным, а зачастую просто невозможным. Широкий спектр областей применения, условий прокладки и эксплуатации волоконно-оптических кабелей, многообразие видов каналообразующего элемента, по типам используемого волокна, рабочим длинам волн, количеству волокон и т. д., различия в технологической оснащенности кабельных предприятий, а также национальные особенности и традиции фирм производителей привели к возникновению многообразия конструкций (см. рис. 5).
Рис. 5. Различные варианты конструкций оптических кабелей
Наиболее распространённым решением при конструировании оптического кабеля является использование дополнительного покрытия ОВ из материала, обладающего высокой механической прочностью и температурным коэффициентом линейного расширения приближающимся к ТКЛР кварца. Оптическое волокно в дополнительном (вторичном) защитном покрытии принято называть оптическим модулем. Оптимальным было бы изготовление вторичного покрытия из кристаллических материалов (например, металлов). Существуют оптические волокна с дополнительным слоем алюминия, титана и даже углерода. Полученные оптические волокна обладают повышенной механической прочностью, так как нанесённый металлический слой препятствует развитию микротрещин в волоконном световоде. Кроме того, в ряде случаев (подвесные или подводные оптические кабели) оптические волокна помещаются внутрь металлической (медной или алюминиевой) трубки, что гарантирует защиту сразу нескольких ОВ. Внутрь трубки вводится гидрофобный заполнитель для защиты оптического волокна от проникновения влаги. Подобная конструкция гарантирует работу оптических волокон в широком интервале температурных воздействий. Для обеспечения требуемого диапазона механических воздействий на металлическую трубку наносятся дополнительные защитные слои из круглых стальных проволок. Технология наложения металлического слоя на оптическое волокно или формование металлической трубки достаточно сложна в отличие от технологии переработки полимерных материалов, в том числе и пластических масс. Однако полимерные материалы обладают рядом специфических свойств отличающих их от кристаллических металлов и кварца.
Как уже хорошо известно, молекулы полимера (макромолекулы) состоят из многократно повторяющихся структурных единиц, соединенных друг с другом химическими связями десятки и даже сотни тысяч раз. Макромолекула полимера может быть линейной и разветвленной, т. е. иметь боковые ответвления от основной цепи. За счёт них происходит соединение макромолекул между собой химическими связями. С увеличением разветвленности макромолекулы полимера нарушается его регулярность, вследствие чего снижается жесткость и склонность к кристаллизации. Большая длина макромолекулы при возможности вращения сегментов макромолекул относительно валентных связей главной цепи обуславливает способность молекулы полимера принимать различные конформации. Реализуемые конформации носят флуктуационный характер, т.е. в принципе форма цепной молекулы может постоянно изменяться. С энергетической точки зрения наиболее выгодная форма цепной молекулы - свернутая глобула (молекулярный клубок), что и реализуется в случае, если межмолекулярное взаимодействие существенно слабее внутримолекулярного (см. рис. 6). Этот клубок очень рыхлый - собственно полимер занимает лишь около 1 - 3 % от общего его объёма. Взаимодействие глобул создает определенные упорядоченные надмолекулярные структуры. В результате взаимодействия между соседними макромолекулами в полимере могут возникать области, в которых создаются более упорядоченные структуры (см. рис. 7а), которые в итоге образуют кристаллические структуры (см. рис. 7б).
Рис. 6. Модель молекулы полиэтилена
Рис. 7. Схематическое строение флуктуационной сетки
Аморфные линейные полимеры могут в зависимости от температуры находиться в трех физических состояниях. При низких температурах - это стеклообразное состояние, когда возможны только колебательные движения атомов в цепи. При превышении температуры стеклования становится возможным колебательное движение звеньев цепи, такое состояние называют высокоэластическим. И, наконец, при превышении температуры плавления полимер переходит в вязкотекучее состояние, когда может проявиться подвижность всей макромолекулы (см. рис. 8).
Рис. 8. Виды термомеханических кривых кристаллического полимера:
1 - после плавления полимер сразу переходит в вязкотекучее состояние
2 - после плавления полимер переходит в высокоэластическое состояние
Одной их характерных особенностей пластических масс является зависимость физического состояния от временного интервала приложения нагрузки. Деформация, кажущаяся упругой при кратковременном воздействии, при увеличении времени воздействия в результате протекающих в материале релаксационных процессов постепенно переходит в пластическую (см. рис. 9). Также отличительной особенностью полимеров является постепенная релаксация напряжений в полимере с течением времени (см. рис. 10).
Рис. 9. Кривая напряжение - деформация эластомера
Рис. 10. Релаксация напряжения в линейном (1) и пространственно сшитом (2) эластомере
Прямым следствием из вышеизложенных свойств полимеров являются большие значения ТКЛР. Разница их ТКЛР с ТКЛР кварца составляет около двух порядков. Именно поэтому использование полимеров с учётом особенностей их свойств требует усложнения конструкции кабеля, связанного с уменьшением влияния высоких значений ТКЛР полимерной трубки и недостаточного значения модуля его упругости. Указанное усложнение конструкции в основном сводится к фиксированию полимерного покрытия относительно оптического волокна, т. е. к установлению прочной связи между полимером и некоторым силовым элементом, который в ряде случаев вводится в ВОК. Представим эту связь в виде следующей модели:
Здесь пунктирные линии иллюстрируют механическую связь (трение) между полимерным покрытием и силовым элементом.
В ряде конструкций оптических кабелей для ограниченного применения роль силового элемента может выполнять само оптическое волокно. В этом случае оптическое волокно обжимают полимерной трубкой, и если связь между оболочкой и оптическим волокном достаточно сильна, значительного изменения геометрических размеров оболочки происходить не будет за счёт появления в полимере и кварце механических напряжений (<-,->).
Такой вариант оптического модуля получил название "tigth buffer" (в русской терминологии "плотное защитное покрытие"). В результате мы получаем приемлемый для ряда применений диапазон допустимых внешних механических воздействий, но механические напряжения в оптическом волокне в итоге значительно уменьшают температурный диапазон его работы до 50 ?С минус 20 ?С в лучшем случае при очень строгой осевой симметрии покрытия.
Зачастую полимерная оболочка и оптическое волокно почти полностью механически развязано. В этом случае, оболочка почти беспрепятственно меняет свою длину.
Подобный принцип частично реализован в конструкции оптического модуля типа "loose tube" или, по другому, - оптический модуль со свободной укладкой оптического волокна. И так как полностью освободиться от связи оптического волокна с полимерной трубкой не удаётся, полимерную трубку "фиксиуют" путём установления связей с дополнительными силовыми элементами (стальной трос, стальная проволока или стеклопластиковый пруток). Здесь существует довольно много различных вариантов. Последовательно рассмотрим основные возможные варианты обеспечения "работы'' такого оптического модуля.
Оптические модули типа "loose tube" или в русской терминологии "трубчатое защитное покрытие" чаще имеют небольшие размеры, наружный диаметр составляет 2 3 мм (внутренний диаметр 1 2 мм) и, следовательно, небольшое число оптических волокон (до 12). Для увеличения числа волокон в оптическом модуле часто идут по пути увеличения размеров оптического модуля до 4 6 мм (внутренний диаметр 2 4 мм). В этом случае оптический модуль располагается по оси кабеля, и на него наносят дополнительные защитные покровы. Такая конструкция оптического кабеля получила название оптического кабеля на основе центральной трубки. Наиболее распространены и наиболее просты конструкции кабелей, в которых на центральную трубку плотно накладывается какой-либо броневой покров. Это с одной стороны обеспечивает её механическую защиту, а с другой стороны расширяет диапазон допустимых температурных воздействий. Похожим вариантом использования этой конструкции сердечника оптического кабеля является введение в оболочку центральной трубки (или в защитную оболочку оптического кабеля) в процессе её изготовления элементов обладающих близким к кварцу ТКЛР (например, металлы или стеклопластик). В этом случае, естественному изменению длины полимера препятствует прочная связь внутренней поверхности полимерной оболочки с элементом, изменяющим размеры в значительно меньшей степени при изменении температуры, кварц ли это, металл или стеклопластик.
Следующим шагом явилось как бы "распределение силового элемента" по всему объёму полимерной трубки или, проще говоря, применение специальных полимерных композиций, обладающих низким, по сравнению с чистыми полимерами, ТКЛР и более высоким модулем упругости. Кстати заметим, что применение таких композиций для изготовления модуля типа "tigth buffer" (например, "Grilamid TR 25" фирмы "EMS"), позволяет без увеличения затухания достичь температуры минус 70 °С.
Использование оптических модулей типа "loose tube" из традиционных материалов (ПБТ) и без дополнительной защиты возможно для ограниченного диапазона температур и механических воздействий. Например, оптический модуль, изготовленный из ПБТ марки "Ultradur B 6550" фирмы "Basf", имеющий внутренний диаметр оболочки 1,3 мм работает всего до минус 30 °С. Вариантом расширения диапазона температурного и механического воздействия явилась намотка нескольких оптических модулей с определённым шагом вокруг силового элемента (центрального силового элемента - ЦСЭ). В результате чего механическая связь оболочек оптических модулей с центральным силовым элементом препятствует изменению длины оптического модуля при изменении температуры окружающей среды. Вводимый в пространство между оптическими модулями гидрофобный заполнитель ещё более усиливает эту связь. В ряде конструкций в межмодульное пространство вводятся даже клеящие составы. Следующим шагом в этом направлении явилось превращение сердечника оптического кабеля в монолитную конструкцию (профилированный сердечник). В этих конструкциях оптического кабеля роль вторичного полимерного покрытия выполняет не трубка, как в рассмотренных выше случаях, а цилиндр с прямоугольными или трапециидальными пазами, в которые закладываются оптические волокна, оптические ленты или даже оптические модули, а в центре цилиндра располагается силовой металлический или стеклопластиковый элемент. Механика работы профилированного сердечника практически повторяет механику модульной конструкции.
Процесс формования полимерной трубки оптического модуля таков, что из-за охлаждения оптического модуля до температуры охлаждающей ванны и усадки полимерного материала в готовом оптическом модуле волокно расположено по спиралеобразной траектории, на большинстве участков напоминающих геликоиду, т. е. имеет место избыточная длина оптического волокна в оптическом модуле. При понижении температуры происходит уменьшение длины полимерной трубки, при этом геликоидальное расположение оптического волокна изменяется в сторону увеличения амплитуды и уменьшения шага геликоиды. В какой-то момент времени деформация оптического волокна станет очень большой (или оптическое волокно даже коснётся внутренней стенки полимерной трубки), что приведёт к резкому возрастанию оптических потерь в волоконном световоде за счёт рассеяния на микроизгибах.
В современных конструкциях оптического модуля "loose tube", центральной трубки и профилированного сердечника, кабели на основе которых предназначены для прокладки вне зданий, пространство между оптическими волокнами и вторичным покрытием (трубка или профиль) заполнено гелеобразным заполнителем. Его гидрофобные свойства обеспечивают нераспространение влаги по оптическому модулю. С одной стороны, он играет роль механического буфера между оптического волокна и полимерной трубкой, а с другой стороны, фиксирует положение оптического волокна внутри модуля. Последнее обеспечивается свойством тиксотропности заполнителя, которое заключается в том, что при малых значениях скорости сдвига заполнитель характеризуется большими обратимыми деформациями при практически полном отсутствии вязкого течения, а при превышении определённого значения - течёт. Наличие внутри оптического модуля такого заполнителя исключает изменение положения оптического волокна внутри трубки и, следовательно, изменение избыточной длины в процессе эксплуатации кабеля, хотя и несколько усиливает механическую связь полимерной оболочки с оптическим волокном.
Итак, применение оптического волокна в качестве каналообразующего элемента в линиях связи возможно только при нанесении на него дополнительных покрытий, что требует существенного усложнения конструкции сердечника кабеля в целом. По конструкции сердечника оптического кабеля можно разделить на большие группы. В качестве сердечника оптического кабеля может выступать плотная полимерная оболочка (прокладка внутри зданий, минимальная температура до минус 20°), центральная трубка (как правило, не применяется без дополнительной связи с металлическими или стеклопластиковыми элементами, минимальная температура до минус 30°), скрутка нескольких оптических модулей вокруг ЦСЭ (необходима дополнительная механическая защита, минимальная температура до минус 60°), а также профилированный сердечник (необходима дополнительная механическая защита, минимальная температура до минус 60°). Несмотря на это многообразие вариантов защиты оптического волокна наибольшее распространение получила модульная конструкция оптического кабеля.
На рис. 11 представлена известная конструкция сердечника модульного типа в самом общем случае. Количество и размеры оптических модулей, наличие или отсутствие гелеобразного заполнителя, размеры центрального силового элемента обусловлены требованиями, предъявляемыми к оптическому кабелю. Изображение оптического волокна на этом рисунке не совсем верно. Как это уже отмечено, оптическое волокно в оптическом модуле располагается по некоторой траектории, на большинстве участков приближающейся к геликоиде (хотя и есть участки, где оптическое волокно расположено прямолинейно). Кроме того, зачастую в оптический модуль вводят несколько оптических волокон. Поэтому можно говорить лишь о некотором среднестатистическом распределении положения оптического волокна внутри оптического модуля.
Рис. 11. Конструкция модульного сердечника оптического кабеля
Рассмотрим поведение всего сердечника оптического кабеля при приложении к нему внешних воздействий. Для простоты возьмём оптический кабель с одним оптическим волокном в каждом оптическом модуле. При растяжении сердечника оптического кабеля происходит удлинение центрального силового элемента. В результате действия силы трения между поверхностью центрального силового элемента и поверхностями оптических модулей внешняя сила вместе с силовым элементом растягивает и участки оптических модулей, прилегающие к точкам действия силы, в то время как отдалённые участки оптических модулей не испытывают никакого воздействия. Удлинение оптического волокна при этом пока не происходит, т. к. нагрузка напрямую к нему не прикладывается. Происходит лишь уменьшение избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле, а затем его постепенное "перемещение" к оси сердечника оптического кабеля. Оптическое волокно рано или поздно коснется внутренней поверхности оболочки оптического модуля (см. рис. 12), после чего на оптическое волокно начнёт действовать растягивающее усилие. При соприкосновении оптического волокна с поверхностью трубки происходит резкое увеличение затухания передаваемого излучения за счёт микроизгибов.
Практически то же самое происходит и при увеличении температуры окружающей среды, но в этом случае в первую очередь происходит увеличение длины полимерных трубок оптических модулей по всей длине оптического кабеля из-за того, что ТКЛР полимера на несколько порядков больше ТКЛР металла и кварца. Полимерные оболочки оптических модулей, удлиняясь, прикладывают к оптическому волокну растягивающую нагрузку, прижимают оптическое волокно к внутренней поверхности оболочки оптических модулей. К чему приводит это соприкосновение описано выше.
При снижении температуры окружающей среды длина оптического модуля, напротив, уменьшается. Оптическое волокно в этом случае перемещается к внутренней поверхности трубки оптического модуля. При превышении определённого порога снижения температуры, обусловленной конструкцией сердечника и применяемыми материалами, оптическое волокно опять коснётся внутренней поверхности трубки оптического модуля. И опять мы наблюдаем резкое увеличение затухания в оптическом волокне за счёт микроизгибов.
Рис. 12. Изменение положения ОВ внутри модульного сердечника ВОК при циклической смене температур
Эти негативные явления зачастую можно уменьшить или несколько "отсрочить" применением полимеров для трубки оптических модулей, обладающих малым значением ТКЛР и малым коэффициентом трения с уретанакрилатными композициями (например, полиамиды). Известны варианты двухслойных трубок оптических модулей из различных полимеров и композиций. Эффективным также оказывается жёсткое связывание полимерных оболочек с центральным силовым элементом, например, применение клеящих композиций.
В данном случае использовалась классическая, но достаточно упрощённая модель, так как не бралось во внимание некоторое уменьшение внутренних диаметров оптических модулей при их растяжении и некоторое увеличение внутренних диаметров оптических модулей при их нагревании. Кроме того, при наличии нескольких оптических волокон в одном оптическом модуле картина ещё более усложняется трудностью предсказания положения конкретного оптического волокна в пучке оптических волокон. Вряд ли такие тонкости "под силу" рассматриваемой модели. Здесь уместно обратиться к экспериментальным результатам. Тем не менее, рассмотренная модель позволяет достаточно точно связать между собой такие похожие друг на друга с точки зрения их действия на сердечник кабеля параметры, как предельная растягивающая нагрузка (?F) и предельно допустимый температурный диапазон (?T).
В качестве иллюстрации для объяснения механизмов работы использовалось понятие избыточной длины оптического волокна. Рассмотрим, насколько корректно это понятие может быть использовано для характеристики "выносливости" кабеля при внешних воздействиях. В качестве примера также возьмём модульную конструкцию оптического кабеля.
В этом случае избыточная длина оптического волокна в оптическом кабеле (по отношению к длине центрального силового элемента) состоит из двух составляющих: укрутка оптических модулей вокруг центрального силового элемента и, уже рассмотренная нами, избыточная длина оптического волокна в оптическом модуле.
В процессе изготовления оптического модуля на величину избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле оказывает влияние множество технологических параметров.
Во-первых, это - параметры формования полимерной трубки: наружный и внутренний размеры оптического модуля, марка материала, температура переработки, размеры формующего инструмента, отношение скорости изготовления оптического модуля к оборотам шнека экструдера.
Во-вторых, параметры подачи гидрофобного заполнителя: марка гидрофобного заполнителя, температура переработки заполнителя, размеры вводящего инструмента.
В третьих, параметры отдачи оптического волокна и приёма готового оптического модуля: натяжение оптического волокна на отдатчике, натяжение оптического модуля между кабестанами, натяжение оптического модуля при намотке на барабан, способ укладки оптического волокна.
Необходимо также отметить влияние на величину избыточной длины оптического волокна параметров охлаждения оптического модуля: расстояние от торца матрицы до охлаждающей ванны, скорость изготовления оптического волокна, профиль температуры в охлаждающих ваннах, (даже, например, число витков оптического модуля на кабестане).
Кроме того, значительное влияние на конечную величину избыточной длины оптического волокна оказывает также время и способ хранения оптического модуля до его скрутки в сердечник.
Укрутка оптического модуля в повиве зависит от следующих параметров: натяжение оптического модуля до его скручивания, диаметр центрального силового элемента, наружный диаметр оптического модуля, шаг скрутки, наличие и марка межмодульного гидрофобного заполнителя.
На допустимый диапазон температурных и механических воздействий на оптический кабель значительное влияние имеет также толщина оболочки, наложенной на сердечник оптического кабеля, и величина обжатия ею сердечника.
С учётом вышеизложенного, в принципе, можно было бы сказать, что по величине избыточной длины, зная конструкцию сердечника и защитных покрытий, применяемые материалы и технологический процесс, можно довольно точно определить диапазон допустимых температурных и механических воздействий на оптический кабель. Подобное, довольно смелое, утверждение получило распространение у многих производителей оптического кабеля. Кажется, что имеется реальная возможность уже на этапе изготовления оптических модулей, не дожидаясь испытаний готового оптического кабеля как бы прогнозировать величины допустимых внешних воздействий на будущий оптический кабель и при необходимости вносить коррективы в технологический процесс, с целью их изменения.
Однако в этом подходе есть несколько "подводных камней". Первая проблема связана с непостоянством величины избыточной длины в процессе производства сердечника ВОК. Рассмотрим это подробнее для конкретного случая изготовления сердечника волоконно-оптического кабеля модульной конструкции. Экструзионная линия для изготовления оптических модулей представлена на рис. 13.
Рис. 13. Схема экструзионной линии RLE-30 фирмы "Rosendahl"
1 - отдающее устройство; 2 - прессомат; 3 - направляющий ролик; 4 - головка экструдера; 5 - экструдер; 6 - вакуумный насос; 7 - шкаф и пульт управления; 8 - жёлоб вытяжной; 9 - шкаф управления; 10 - дисковое тяговое устройство; 11 - участок охлаждения; 12 - шкаф регулирования температуры; 13 - шкаф распределительный; 14 - шкаф электрический; 15 - накопитель; 16 - вытяжное устройство; 17 - шкаф КРУ; 18 - измеритель диаметра; 19 - направляющий ролик; 20 - ленточное тяговое устройство; 21 - приёмное устройство.
Мы уже отмечали, что избыточная длина образуется в процессе охлаждения трубки оптического модуля и её усадки в охлаждающих ваннах. На рис. 14 представлена зависимость изменения избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле в процессе изготовления оптического модуля. Конечное значение избыточной длины оптического волокна на участке формирования и охлаждения изготовленного оптического модуля и кривая её изменения по мере продвижения оптического модуля от экструзионной головки до тягового колеса определяются перечисленными выше параметрами. Избыточная длина изменяется по любой экспоненциальной линии из выделенного диапазона. Между тяговыми колёсами поддерживается постоянное натяжение оптического модуля, что обеспечивает неизменность избыточной длины на этом участке. Далее оптический модуль наматывается на приёмный барабан с некоторым натяжением (как правило, большим натяжения между кабестанами), которое и определяет окончательное значение избыточной длины оптического волокна в изготовленном оптическом модуле. Значения избыточной длины в оптическом модуле на последних участках экструзионной линии определяются значениями натяжения на этих участках, представляет собой горизонтальную линию (см. рис. 14) и лежат внутри некоторого интервала, изображённого на рисунке. Следует отметить, что при намотке оптического модуля на катушку на него действует не только растягивающая, но и изгибная нагрузка, величина которой уменьшается по мере намотки из-за увеличения диаметра намотки. Однако из-за малого отношения диаметра оптического модуля к диаметру шейки катушки растяжением трубки при изгибе вполне можно пренебречь.
Рис. 14. Иллюстрация изменения избыточной длины ОВ в процессе формования ОМ
В процессе хранения изготовленного оптического модуля возникшие в полимерной трубке механические напряжения постепенно релаксируют, причём скорость релаксации зависит от параметров изготовления трубки. При длительном хранении механические напряжения практически совсем исчезают, а значение избыточной длины оптического волокна в этом оптическом модуле останется при этом практически неизменным. При перемотке оптического модуля в зависимости от натяжения произойдёт либо уменьшение, либо увеличение напряжения в трубке оптического модуля. Что приводит, соответственно, к изменению величины избыточной длины (см. рис. 15).
Рис. 15. Иллюстрация изменения избыточной длины ОВ в процессе изготовления ВОК
При скрутке оптических модулей в сердечник оптического кабеля на отдатчике крутильной машины к оптическому модулю прикладывается определённая растягивающая нагрузка. Однако нельзя считать, что натяжение оптических модулей в скрутке точно известно. По-видимому, в данном случае изгибными напряжениями пренебрегать уже нельзя.
При этом происходит пусть и незначительное (d << H), но неконтролируемое растяжение оптического модуля (см. рис. 16). Это связано как с сильным трением между поверхностью центрального силового элемента и поверхностью оптического модуля, так и со скольжением одной поверхности по другой. Следовательно, нельзя окончательно утверждать, что ближние области сжаты, средняя линия не испытывает растяжения, дальние области растянуты. Однако, эта модель тем точнее, чем меньше проскальзывание между поверхностью центрального силового элемента и поверхностью оптического модуля.
Рис. 16. Изгибное удлинение ОМ
После скрутки оптических модулей в сердечник оптического кабеля избыточная длина оптического волокна перестаёт изменяться (см. рис 15). Происходит лишь релаксация напряжений в оболочках оптических модулей (см. рис. 17). Дальнейшие технологические операции оказывают влияние на поведение сердечника при приложении к нему внешних силовых и температурных воздействий.
Рис. 17. Иллюстрация релаксации напряжений в оболочке ОМ в процессе изготовления ВОК
Теперь рассмотрим вторую, но, пожалуй, более важную проблему определения избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле, то есть проблему корректного измерения её величины. Искомая величина получается путём сопоставления длины оптического модуля с длиной находящегося в нём оптического волокна. Конечно, можно договориться измерять длину оптического модуля каждого вида (размера, материала) при приложении некоторой определённой величины растягивающей нагрузки, в принципе, совершенно необходимой. Снизу эта величина ограничена условием достаточного распрямления модуля, то есть, предварительное растяжение должно быть достаточным для обеспечения линейной зависимости удлинения модуля от приложенной нагрузки. С другой стороны эта величина должна быть как можно меньше той нагрузки, при которой оптическое волокно в модуле распрямляется, а искомая избыточная длина становится равной нулю ( см. рис 18). При приложении к оптическому модулю растягивающей нагрузки происходит сначала его распрямление, затем растяжения до момента обнуления избыточной длины.
Рис. 18. Кривая растяжения оптического модуля
При дальнейшем увеличении нагрузки удлинению сопротивляется оболочка модуля вместе с оптическим волокном вплоть до обрыва последнего внутри модуля. Практически обнаружить излом на кривой растяжения и отметить момент распрямления оптического волокна удаётся лишь в очень ограниченном числе случаев для тонкостенных слабоупругих оболочек. Но главная проблема состоит в том, что упругие свойства оболочки модуля меняются во времени да ещё зависят от условий его хранения. Тогда длина оптического модуля, отмеренная при одинаковой нагрузке, становится разной. Не лучше обстоит дело и с измерением длины отрезка оптического волокна, извлечённого из отрезка оптического модуля. Мы можем только утверждать, что прилагаемая к отрезку волокна в процессе измерения растягивающая нагрузка должна приводить к его удлинению, много меньшему 0,3 % (для обеспечения требуемого срока службы кабеля, как это отмечено выше, растяжение не должно превышать указанного порога). Минимальная же величина прикладываемой нагрузки остаётся неопределённой и может быть оценена при анализе кривой растяжения оптического волокна. Таким образом, корректной может оказаться лишь методика сравнительных измерений, при условии сохранения неизменными ряда влияющих на результат параметров. Во всяком случае, так можно измерить, например, относительное распределение избыточных длин нескольких оптических волокон в модуле.
Далее, при избыточной длине оптического волокна равной приблизительно 0,1 % и выбранной длине оптического модуля, например, в 10 м необходимо измерить добавочную длину волокна ~ 10 мм. Ошибка в отмеривании опытной длины всего на 5 мм приводит к ошибке в определении избыточной длины оптического волокна в 50 %. Для обеспечения приемлемой погрешности измерения длина отрезка оптического модуля, казалось бы, должна быть как можно больше. Но при этом нужно учитывать, что мы получим величину избыточной длины волокна, усреднённую по длине выбранного отрезка ОМ.
С учётом высокой упругости центрального силового элемента, может показаться более корректным измерение избыточной длины оптического волокна относительно длины готовой скрутки или готового кабеля. При этом мы обходим проблему изменяющихся во времени упругих свойств материала оболочки модуля и остаточных механических напряжений (постепенно спадающих до нуля). Но при этом, избыточная длина является суммой избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле и укрутки, причём вторая величина часто в несколько раз превышает первую. И все проблемы измерения длины извлечённого отрезка волокна остаются прежними.
Фирмы-изготовители оборудования для производства оптических кабелей рекламируют автоматические системы измерения избыточной длины в процессе изготовления оптических модулей, в частности для оптических кабелей на основе центральной трубки. Данные системы позволяют измерять величину избыточной длины оптического волокна по всей длине оптического модуля путём непрерывного сравнения длины сработанного оптического волокна с длиной полученного оптического модуля. Датчик, измеряющий текущую длину оптического волокна, может быть основан на прижимном механизме и может быть бесконтактным, например, на доплеровском эффекте и так далее. Кроме того, реализована возможность изменения величины избыточной длины оптического волокна в процессе производства оптического модуля путём регулирования натяжения оптического волокна на отдатчике. Предлагаемые системы эффективны только в том случае, если на центральную трубку непосредственно после изготовления накладывается армирующее покрытие (стальная фольга или лента), что исключает дальнейшую усадку полимерной трубки и, следовательно, дальнейшее изменение величины избыточной длины. В этом случае дополнительное регулирование величины избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле может быть осуществлено также путём изменения натяжения самой центральной трубки в процессе наложения армирующего покрытия.
Из всего изложенного выше можно сделать такой вывод: - избыточная длина оптического волокна в оптическом модуле или оптическом кабеле в общем случае не может быть корректно определена и корректно измерена. Понятие избыточной длины оптического волокна - скорее иллюстрация, помогающая понять механизм функционирования оптического модуля и сердечника оптического кабеля в диапазоне силовых и температурных воздействий.
Поставленную задачу, с учётом постоянно расширяющейся номенклатуры ВОК, под силу решить в полном объёме только при условии использования мощной, предельно автоматизированной базы данных. Примеры применения экспертных систем с элементами логического выбора в областях, близких к обсуждаемой, уже известны, несмотря на то, что производители не очень охотно делятся успехами в этой области, предпочитая предлагать поставку этих дорогостоящих систем "под ключ".
Авторы выражают искреннюю благодарность к.т.н.
Литература
Абрамов А. А., Бубнов М. М., Вечканов Н. Н. и др. Температуростойкие волоконно-оптические модули // Труды ИОФАН. 1987 г. Т. 5. с. 72-82.
Семёнов С. Л. Влияние герметичных покрытий световодов на их механическую прочность. // Волоконно-оптические технологии, материалы и устройства. №2. 1999 г. c.
Оптический кабель, монтажное и измерительное оборудование для волоконно-оптической связи // Рекламный проспект фирмы "Телеком Комплект Сервис" 1999 г.
Семёнов С. Л. Физические процессы, определяющие прочность и долговечность волоконных световодов // Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 1997 г.
Абрамов А. А., Богатырёв В. А., Боркина Г. Ю. Полимерные покрытия волоконных световодов // Труды ИОФАН. 1988 г. Т. 15. с. 98-127.
Технические условия ТУ 16.К12-16-97 "Кабели оптические для местных и междугородных линий связи ВСС России".