Optický kabel s volnou izolací: Konstrukce a ochrana v moderní době

Dynamika vývoje funkčních vlastností optických vláken je mimořádně velká. Nejvhodnějším materiálem pro konstrukci optického vlákna byl tradiční optický materiál - křemen. U optických vláken ze syntetického křemene dosáhlo na vlnové délce 850 nm útlumu menšího než 20dB/km. Požadavky na jeho útlum optického záření byly velmi náročné. Další zásadní výsledky přicházely vždy po několika letech, a to zejména posunem pracovních vlnových délek z původních 850 nm do oblastí blízkého infračerveného spektra.

Materiály pro optická vlákna

Nejpoužívanější moderní materiál, umožňující přípravu kvalitních preforem metodami, které se výrazně liší od práce se skleněnými materiály, je syntetický křemen. Křemenné sklo se zpracovává při teplotách přes 2 000 °C, což přináší mnoho technologických výhod, např. možnost používat některé jednoduché sklářské postupy. Dalšími materiály jsou fosforečnatokřemičitá, alkalickoolovnatá skla (n = 1,57-1,75) a skla s obsahem GeO2 a jiná méně obvyklá skla. Tyto materiály jsou nejstaršími používanými materiály pro výrobu optických vláken. Speciální materiály se používají zejména na ochranu povrchu optických vláken (primární ochrana). Jsou to polyetylén, polypropylén, polyamid a kopolyméry s obsahem fluoru.

K dosažení potřebného rozdílu indexu lomu jádra a pláště, případně požadovaného profilu indexu lomu, se používají příměsi (např. Ta, Sn, P, La), které zvyšují index lomu, a B, F, které index lomu snižují. Požadavek vycházet při jejich přípravě z velmi čistých surovin a zamezit jakémukoliv dalšímu znečišťování v průběhu technologického procesu je klíčový, jelikož ionty přechodných kovů (např. Fe) jsou hlavními pohlcovači optického záření. Polymery se používají pro konstrukci celoplastových vlnovodů a nebo v kombinaci s křemenným vláknem. Nejčastějším materiálem je polymetylmetakrylát (PMM). V kombinovaných variantách, kde je plastový pouze plášť, to mohou být polyvinylidefluoridy, polyperfluóretylénpropylény a polymetylsiloxany. Výběr materiálu primární ochrany představuje tedy vždy určitý kompromis, zohledňující požadavky na netečnost k povrchu vlákna, ochranu vlákna proti vlhkosti a mechanickým vlivům, velkou rychlost nanášení, snadnou odstranitelnost atd.

Výroba optických vláken

Způsob přípravy optických vláken závisí zejména na použitých základních materiálech a konstrukčním řešení. Výrobní postup optického vlákna se skládá ze dvou základních procesů:

  1. Příprava preformy, což je skleněná tyč, ze které se optické vlákno táhne.
  2. Tažení vlákna z preformy.

Příprava preformy

Křemenná skla pro preformy se připravují oxidací nebo hydrolýzou některých sloučenin křemíku, jako je např. chlorid křemičitý (SiCl4), popř. silan (SiH2). Materiál budoucího jádra se přitom průběžně dotuje některými oxidy, získanými rozkladem a oxidací vhodných velmi čistých látek. Velikost preformy určuje délku z ní vytaženého vlákna.

Čtěte také: Návod: Kabel z kufru do palubovky Octavia

Existuje několik metod přípravy preform:

  • Metoda vnější depozice (OVPO): Materiál budoucího jádra se usazuje na vnějším povrchu zahřáté keramické nebo grafitové tyčky, sloužící jako podložka. Jakmile se na podložce vytvoří vrstvy jádra a pláště, je proces ukončen. Usazená skleněná vrstva je sejmutá z podložky, která se následně odstraní, a preforma je hotová. Tento systém umožňuje kontinuální přípravu nebo výrobu preformy značných rozměrů.
  • Metoda modifikované chemické depozice z plynné fáze (MCVD): Používá se trubice ze syntetického křemene, podél níž se pohybuje kyslíko-vodíkový plamen. Uvnitř trubice se materiál budoucího jádra usazuje blíže ose. Po dosažení požadovaného složení usazených vrstev se trubice zahřívá, až dojde ke smrštění do tvaru tyče. Tato trubice tvoří základ budoucího pláště vlákna. Hlavní výhodou této metody je vysoká čistota základního procesu, protože je prakticky vyloučena kontaminace z okolního prostředí.
  • Metoda osové depozice z plynné fáze (VAD):

    Tato metoda umožňuje kontinuální přípravu nebo výrobu preformy značných rozměrů.

Tažení optických vláken

Jednotlivá optická vlákna se získávají tažením, a to buď z taveniny, nebo z tyče, která je v místě tažení předehřátá na potřebnou teplotu. Tažení optických vláken je další důležitá operace, která může dosti významně ovlivňovat některé jejich důležité vlastnosti, např. rozměrové odchylky. Z tohoto hlediska se pro tažení používají poměrně složitá zařízení, která jsou vybavena přesnou měřicí a řídicí technikou, ohřívacími pecemi, zařízením pro nanášení primární ochrany a navíjecím zařízením.

Pro tažení se používají ohřívací pece, typicky grafitové nebo elektrické pícky, jejichž základním materiálem je grafit nebo oxid zirkoničitý. Tyto pece jsou schopny zajistit teplotu přes 2 000 °C. Vlákno se vytahuje působením gravitační síly a prochází kalibrem, kde se zajišťují rozměry a kruhovost vlákna. Během procesu tažení vlákna a nanášení primární ochrany se měří jak geometrické rozměry samotného vlákna, tak i primární ochrany. Kontrola a regulace v průběhu procesu tažení zaručuje dodržení požadovaných tolerancí všech geometrických parametrů taženého vlákna.

Kromě geometrických rozměrů je důležitou mechanickou vlastností také pevnost v tahu. Je nutný především u křemenných vláken. Je-li např. prodloužení při přetržení 0,5-0,6%, to ukazuje na závislost pevnosti vlákna na jeho délce. Dovolená zatahovací síla u závlačných kabelů nesmí být nižší než 2 500 N, i když některé specifikace mohou připustit hodnoty nižší. Kromě této mechanické vlastnosti musí výrobce definovat odolnost proti namáhání na tlak, na ohyb, na zkrut a odolnost proti vibracím.

Čtěte také: Inovace v PVC kabelech s nosným prvkem

Ochrana optických vláken

Primární ochrana

Samotné vlákno není odolné proti vnějším vlivům. Proto je již v procesu tažení nutné nanést na samotné vlákno tenkou vrstvu primární ochrany. Ta chrání vlákno před klimatickým a chemickým vlivům, mechanickému namáhání a zabraňuje vzniku mikrotrhlin. Jako primární ochrana se nejčastěji používají akrylátové pryskyřice, které se vytvrzují pomocí UV záření. Tloušťka primární ochrany je důležitým parametrem, protože ovlivňuje i rychlost nanášení ochrany, a tedy i možnosti rychlejšího tažení vlákna. Primární ochrana může být tvořena jednou nebo dvěma vrstvami a usnadňuje manipulaci s vláknem při dalším zpracování (svařování, konektorování).

Sekundární ochrana

Samotná primární ochrana není dostatečnou ochranou vlákna před mechanickými vlivy. Proto se zpravidla vytváří další, tzv. sekundární ochrana vlákna. Jako materiál se v praxi pro sekundární ochranu používají nejčastěji polyetylén, polypropylén, polyamid a kopolyméry s obsahem fluoru.

Sekundární ochrana může být buď nanesena těsně na optické vlákno, nebo je volně ve tvaru trubky (volná izolace nebo free buffer). V případě těsné ochrany je vlákno pevně obaleno plastovou vrstvou, která však může negativně ovlivňovat přenosové vlastnosti vláken. Tyto jsou způsobovány pnutím ve vláknu vlivem tepelné kontrakce vlákna a dále morfologickými změnami plastické hmoty nestejné pružnosti použitého plastu. V důsledku toho může dojít k nárůstu útlumu. Proto se těmto materiálům věnuje náležitá pozornost. Materiálem těsné sekundární ochrany se používá např. PVC nebo HFFR (Halogen-Free Flame Retardant).

U volné izolace (free buffer) jsou vlákna volně uložena v trubičkách s vnějším průměrem od 2 do 4 mm, v každé trubičce může být uloženo až 12 vláken. Trubka je vyplněna vhodným gelem, zabraňujícím vniku vlhkosti do vlákna. Optické vlákno zaujme obecně v trubce tvar sinusoidy s určitým poloměrem ohybu.

Kromě primární a sekundární ochrany jsou v konstrukci optického kabelu další ochranné vrstvy a prvky:

Čtěte také: prodlužovací kabel s PVC izolací

  • Tahové (nosné) prvky: Zajišťují potřebnou mechanickou pevnost tak, že přenáší podstatnou část tahové síly, působící na kabel, a současně zabezpečují zachování malé přípustné tažnosti optických vláken. Mohou být vyrobeny z aramidu, kevlaru nebo oceli. Ocelové prvky, i když se zdají výhodné, se používají pouze tam, kde jsou v optických kabelech přípustné kovové části.
  • Kabelový plášť: Chrání duši s optickými vlákny v průběhu jeho pokládky a provozu. Musí chránit duši kabelu i při technologické operaci nanášení pancíře. V plášti optického kabelu může být použita řada materiálů. Pro zvýšení tahové a mechanické pevnosti se často používá Kevlar. Pro ochranu před hlodavci nebo pro další tahové členy se nejčastěji používá ocel. Lze použít i hliník nebo měď.
  • Výplňové materiály: Pro vyplnění mezer v konstrukci se používají různá pružná plnidla. U venkovních kabelů jsou dominantní požadavky na odolnost proti pronikání vody, odolnost proti změnám teploty, mechanická a chemická odolnost. Při instalaci je požadována i větší odolnost proti namáhání v tahu. U vnitřních kabelů dominují požadavky na protipožární bezpečnost, flexibilitu a snadnou manipulaci s vlákny. Pro vnitřní kabely se používá PVC, fluopolymery nebo speciální materiály s nízkým obsahem halogenů, které zajišťují nižší produkci kouře při hoření a menší toxicitu kouře.

Konstrukce optických kabelů

Konstrukce každého optického kabelu lze rozdělit na dvě části, a to na kabelové jádro (duši) a plášť. Optická vlákna se vždy nacházejí v jádře kabelu, zatímco ostatní prvky (tahové členy, ochranné vrstvy) se mohou nacházet jak v jádře, tak i v plášti.

Obecnou kategorizaci běžných kabelů lze provést podle kabelového jádra:

  • Kabely s vlákny s volným svazkem (free bundle): Všechna vlákna jsou volně uložena v jediné centrální trubičce o průměru kolem 10 mm. Typicky pojmou 24 vláken. Tyto struktury jsou vhodné zejména pro velké počty vláken (400 a více).
  • Kabely s vlákny s těsnou sekundární ochranou (buffer): Zde jsou vlákna chráněna pevným obalem. Tato struktura se používá především u tzv. staničních kabelů, které obvykle obsahují jedno až dvě vlákna v těsné sekundární ochraně. Průměr této ochrany se pohybuje v rozmezí 2,4 až 3 mm (patchord).
  • Kabely s vlákny s volnou trubičkou (loose tube): Vlákna jsou volně uložena v trubičkách s vnějším průměrem od 2 do 4 mm, v každé trubičce může být uloženo až 12 vláken.

Podle umístění nosného prvku lze v podstatě rozlišit dvě hlavní konstrukce optických kabelů:

  • Kabel s centrálním nosným prvkem: Nosný prvek je umístěný ve středu kabelu a bude tedy odolnější při namáhání na ohyb.
  • Kabel s nosným prvkem v plášti: Tahové prvky jsou uspořádané nad duší kabelu z optických vláken. Kabel bude odolnější proti účinku vnějších sil, působících radiálně na kabel.

Pokládka optických kabelů a trubek

Optické kabely jsou vyráběny ve výrobních délkách 2 000 m ±50 m. Kabely na bubnech musí být chráněny před poškozením. Oba konce kabelu musí být přístupné pro potřeby měření a označen (např. páskou s označením). Plášť kabelu musí být opatřen délkovými značkami, údaji označující optický kabel, popř. typ vláken.

Předpokládá se dodávka trubek na bubnech, a to pro dálkovou síť v délkách až 2 000 m s hermeticky uzavřenými konci. Při volbě trubek je nutné brát zřetel na to, aby při technologii zafukování byla světlost trubky minimálně dvojnásobkem průměru kabelu. Při projektování tras trubek je nutné volit jejich nejpřímější průběh. Veškeré změny směru je nutné provádět v obloucích s poloměry ohybu min. Pravoúhlé křížení komunikací se předpokládá pouze tam, kde to správce komunikace předepisuje, v jiných případech se volí jiné úhly (např. 45°).

Trubky se pokládají v souladu s technickým předpisem „Stavba dálkových sdělovacích kabelů“. Trubky se kladou buď pokladačem, nebo do otevřené rýhy zatahovacím strojem, popř. ručně. Pokládá-li se do rýhy více trubek, je nutné je na dně rýhy uspořádat tak, aby se nekřížily. Při teplotách nižších než 0 °C se pokládka neprovádí, při vyšších teplotách je třeba dbát, aby se trubky nedeformovaly. Roztažnost trubky způsobených teplem se řeší tak, že po zapískování uložené trubky vyčkáme na vyrovnání teploty s teplotou půdy. Následně se trubky zasypou a výkop se zhutní.

Pro ukládání optických kabelů do kabelovodů se do otvoru kabelovodu zatáhne svazek trubek. Vyústění svazku trubek v kabelových komorách musí být zajištěno rozdělovacím členem. Při společné pokládce dálkového a místního optického kabelu (trubek) je min. krytí 0,5 m. Pokládka trubek se provádí buď jako nekonečná, tj. vcelku, nebo s rozebíratelnými spoji.

Spojování trubek

Pro pozdější propojení uzavřených konců trubek je třeba počítat s jejich překrytím v délce 1 m. V místě styku se odříznou konce trubky ořezávačem tak, aby byl řez zaručeně kolmý. Na jednu stranu se nasune převlečná trubka odpovídajího průměru a teplem smrštitelná objímka. Poté se konce trubek spojí, přetáhne se přes ně převlečná trubka a objímka, která se nahřátím smrští. Trubkové spojky se používají zásadně jako rozebíratelné spojení a umožňují přímé uložení do země. Při spojování tažného lanka (u trubek s lankem dodávaných výrobcem) je nutno dodržet technologické postupy předepsané výrobcem.

V případě zatahování kabelu do trubky se trubka musí ihned utěsnit. V místě spojky se ponechávají konce kabelu s rezervou cca 6 m od středu budoucí spojky. Ve volném terénu se kabel ihned po zatažení musí ukotvit (podle projektu). Ve volném terénu je nutno spojky vhodně mechanicky chránit (např. krytech, v dálnici se zapískují, ze stran i ze shora se chrání vhodným prefabrikátem). Rezerva kabelu se umisťuje na stropě. Trubku je nutné fixovat proti zpětnému vytažení ze spojek, což se u trubkových spojek do kabelovodů zajišťuje zpětnými výstupky.

Zkoušky trubek

Zkouška tlakutěsnosti se provádí (pokud není stanobeno jinak) u všech trubek. Zkouška se provádí u souvislých délek min. 100 m. Opravná zkouška se provádí u trubek, kde zkouška tlakutěsnosti prokázala větší úbytek tlaku než činí limit netěsnosti, tj. 2,5 % za 24 hod.

Zkouška průchodnosti musí prokázat průchodnost trubky pro pozdější zatažení či zafouknutí optického kabelu. Zkouška se provádí u souvislých délek min. 100 m. Před kalibrací se zkoušený tlakový úsek profoukne tlakovým vzduchem z kompresoru. Na jeden konec trubky se připojí kontrolní píst (kalibr) s vysílačem (např. o průměru 20 mm pro trubku o vnějším průměru 32 mm) a připojí se hadice kompresoru. Druhý konec trubky se zajistí bezpečnostní zábranou (např. pytlem). Pokud píst narazí na překážku, zastaví se. Pak je nutné píst kabelovým hledačem nalézt a trubku opravit. Zkouška se dokončí (obvykle se opakuje). Zastavení pístu může být způsobeno např. nedodržením poloměru ohybu trubky, její deformací, nebo nedostatečně výkonným kompresorem. Zafouknutí pístu může být zkomplikováno také nesprávným vytyčením trasy, popř. nezapnutím vysílače. Po vyhovujícím výsledku zkoušky průchodnosti se trubky propojují v celé délce trasy, pokud není stanoveno jinak.

Odposlech optických kabelů a bezpečnost

Odposlouchávání skrze optické kabely se definitivně přesouvá z říše sci-fi do reálného světa. Vědecký tým z Hongkongu na nedávné bezpečnostní konferenci překvapil ukázkou útoku přes takzvaný postranní kanál. Podařilo se jim totiž z jemných vibrací v běžném telekomunikačním vlákně věrně zrekonstruovat okolní zvuk.

Vědci z Hongkongu ukázali, že optický kabel, který byl dosud považován za inertní skleněné vlákno, reaguje citlivě na okolní hluk. Zvukové vlny totiž rozvibrují samotný kabel a tyto mikroskopické záchvěvy pak nepatrně deformují světelný paprsek uvnitř. K realizaci takového odposlechu nepotřebuje útočník žádnou magii, ale v podstatě běžnou techniku, která se v průmyslu používá léta. Jde o systémy Distributed Acoustic Sensing (DAS), které standardně hlídají vibrace u dálkových potrubí nebo železnic. Problém nastává v momentě, kdy se tahle měřicí stanice připojí na konec domácí přípojky FTTH (Fiber to the Home, neboli Optika až do domu).

Tahle hrozba je o to nepříjemnější, že se na ni nedá nasadit žádný antivirus ani silnější heslo. Optické rozvody jsme vždycky brali jako ty nejbezpečnější, protože nevyzařují elektromagnetické vlnění a nedají se snadno napíchnout klasickou cestou. Jenže právě jejich extrémní citlivost na vnější vlivy se teď ukazuje jako achillova pata. Při testování vědci zjistili, že z chování vlákna lze vyčíst překvapivě hodně. Nejde jen o to poznat, jestli je někdo v místnosti, ale technologie se nebezpečně blíží k rekonstrukci lidské řeči. Zvládne identifikovat pohyb osob i konkrétní aktivity v interiéru. Je to zásadní posun v tom, co považujeme za soukromí.

Abychom ale nepropadali panice, instalace takového odposlechu není záležitost na pět minut. Samotné sklo ve vzduchu není tak dobrým přijímačem, aby slyšelo každé šeptnutí. Výzkumníci k tomu museli využít tzv. senzorické receptory, které pomáhají lépe převádět akustický tlak na mechanické vibrace kabelu. Z toho plyne, že se budeme muset začít dívat na to, kudy nám ty kabely v baráku vedou, a věnovat pozornost izolaci kabelu jako ochraně soukromí.

tags: #opticky #kabel #s #volnou #izolaci #co

Oblíbené příspěvky: