Сварка оптических волокон. Кабели и их разделка, оптический инструмент, муфты и кроссы

Статья взята с сайта habr.com

Сварка оптических волокон

 

Все слышали про оптические волокна и кабели. Нет нужды рассказывать, где и для чего используется оптика. Многие из вас сталкиваются с ней по работе, кто-то разрабатывает магистральные сети, кто-то работает с оптическими мультиплексорами. Однако я не встретил рассказа про оптические кабели, муфты, кроссы, про саму технологию сращивания оптических волокон и кабелей. Я — спайщик оптических волокон, и в этом (первом своём) посте хотел бы рассказать и показать вам, как всё это происходит, а также часто буду в своём рассказе отвлекаться на прочие смежные с этим вещи. Опираться буду в основном на свой опыт, так что я вполне допускаю, что кто-то скажет «это не совсем правильно», «вот тут неканонично».

Материала получилось много, поэтому возникла необходимость разбить топик на части.
В этой первой части вы прочтёте про устройство и разделку кабеля, про оптический инструмент, про подготовку волокон к сварке. В других частях, если тема окажется вам интересной, я расскажу про методы и покажу на видео сам процесс сращивания самих оптических волокон, про основы и некоторые нюансы измерений на оптике, коснусь темы сварочных аппаратов и рефлектометров и других измерительных приборов, покажу рабочие места спайщика (крыши, подвалы, чердаки, люки и прочие поля с офисами), расскажу немного про крепёж кабелей, про схемы распайки, про размещение оборудования в телекоммуникационных стойках и ящиках. Это наверняка пригодится тем, кто собирается стать спайщиком. 

 

 

Для начала пара слов обо мне и моей работе.
Я работаю спайщиком оптики. Начинал с телефониста и монтажника, затем поработал в аварийной бригаде на обслуживании магистральной оптики. Сейчас работаю в организации, которая берёт генподряды на строительство объектов и линий связи у различных компаний. Типичный объект строительства — кабельная линия, связывающая несколько контейнеров базовых станций GSM. Или, к примеру, несколько колец FTTB. Или что помельче — например, прокладка кабеля между двумя серверными на разных этажах здания и разварка на концах кабеля кроссов.
Если тендер выигран, ищутся подходящие субподрядчики, выполняющие работы (проектно-изыскательные и строительно-монтажные). В некоторых регионах это наши дочерние предприятия, в некоторых есть собственная техника и ресурсы, в некоторых нанимаются независимые компании. На наши же плечи главным образом ложится контроль, устранение косяков субподрядчиков и различных форс-мажоров, всевозможные согласования с собственниками земель и администрациями, иногда составление исполнительной документации по построенному объекту и прочее. Зачастую нужна работа с оптикой: сварить или переварить где-то оптическую муфту или кросс, устранить последствия сбитой стритрейсером опоры или упавшего на кабель дерева, провести входной контроль барабана кабеля, снять рефлектограммы участка и прочее. Именно эти задачи я и выполняю. Ну и попутно, когда нет задач по оптике — прочие задачи: от погрузочно-монтажных через курьерско-доставочные до копировально-бумажных работ. 



Оптический кабель, его виды и внутренности


Итак, что представляет собой оптический кабель? Кабели бывают разные.

По конструкции — от самых простых (оболочка, под ней пластиковые трубочки-модули, в них сами волокна) до супернавороченных (множество слоёв, двухуровневая броня — например, у подводных трансокеанских кабелей).

По месту использования — для наружной и внутренней прокладки (последние встречаются редко и обычно в дата-центрах высокого класса, где всё должно быть идеально правильно и красиво). По условиям прокладки — для подвеса (с кевларом или тросиком), для грунта (с бронёй из железных проволочек), для прокладки в кабельной канализации (с бронёй из гофрированного металла), подводные (сложная, сверхзащищающая многослойная конструкция), для подвеса на опорах ЛЭП (кроме передачи информации, выпоняют роль молниезащитного троса). В моей практике чаще всего встречаются кабели для подвеса на столбы (с кевларом) и для прокладки в грунт (с бронёй). Пореже попадаются с тросиком и с гофробронёй. Ещё часто встречается кабель, который по существу есть тонкий спаренный оптический патч-корд (жёлтая оболочка у одномода и оранжевая — у многомода, чуток кевлара и одно волокно; две оболочки спарены). Прочие оптические кабели (без защиты, подводные, для прокладки в помещениях) — экзотика. Почти все кабели, с которыми я работаю, имеют конструкцию, как на картинке ниже.

Оптический кабель

1 — центральный силовой элемент (проще говоря — пруток из стеклопластика, хотя может быть и тросик в полиэтиленовой оболочке). Служит для центрирования трубок-модулей, придания жёсткости всему кабелю. За него также часто закрепляют кабель в муфте/кроссе, зажимая под винт. При сильном изгибе кабеля имеет подлое свойство ломаться, ломая попутно и модули с частью волокон. Более продвинутые конструкции кабеля содержат этот пруток, одетый в полиэтиленовую оболочку: тогда его труднее сломать и разрушений в кабеле он при переломе причинит меньше. Пруток бывает и такой, как на рисунке, и совсем тонкий. Кончик такого прутка — отличный абразивный инструмент для тонких работ: например, почистить контакты реле или участок медной детали под пайку. Если его сжечь на пару сантиметров, получится хорошая мягкая кисточка. 

2 - сами оптические волокна (на рисунке — в лаковой изоляции). Те самые тончайшие нити-световоды, ради которых всё затевается. В статье речь пойдёт только про стеклянные волокна, хотя где-то в природе существуют и пластиковые, но они — большая экзотика, не варятся аппаратами для сварки оптики (только механическое соединение) и пригодны только на очень малых расстояниях и я лично с ними не сталкивался. Оптические волокна бывают одномодовые и многомодовые, я встречался только с одномодом, так как многомод — менее распространённая технология, может использоваться только на короткие расстояния и во многих случаях прекрасно заменяется одномодом. Волокно состоит из стеклянной «оболочки» из стекла с определёнными примесями (на химии и кристаллографии останавливаться не стану, так как не владею темой). Без лака волокно имеет толщину 125 мкм (чуть толще волоса), а в центре его идёт сердечник диаметром 9 мкм из сверхчистого стекла с другим составом и с немного отличным от оболочки показателем преломления. Именно в сердечнике распространяется излучение (за счёт эффекта полного отражения на границе «сердечник — оболочка»). Наконец, сверху 125-микрометровый цилиндр «оболочки» покрыт другой оболочкой — из особого лака (прозрачного или цветного — для цветовой маркировки волокон), который ЕМНИП тоже двухслойный. Он предохраняет волокно от умеренных повреждений (без лака волокно хоть и гнётся, но плохо и легко сломать, волокно элементарно раскрошится от случайно положенного на него мобильника; а в лаке его можно смело обмотать вокруг карандаша и довольно сильно дёрнуть — оно выдержит). Случается, что пролёт кабеля провисает на одних волокнах: порвало (пережгло, порезало) все оболочки, кевлар, лопнул центральный пруток, а какие-то 16 или 32 125-микрометровых стеклянных волокна могут неделями держать вес пролёта кабеля и ветровые нагрузки! Тем не менее, даже в лаке волокна можно легко повредить, поэтому в работе спайщика самое главное — дотошность и аккуратность. Одним неловким движением можно испортить результаты целого дня работы или, если особо не повезёт и нет резервирования, надолго уронить магистральную связь (если, копаясь в «боевой» магистральной муфте, сломать волокно с DWDM-ом под корешок на выходе из кабеля).

Волокон бывает много сортов: обычное (SMF или просто SM), со смещённой дисперсией (DSF или просто DS), с ненулевой смещённой дисперсией (NZDSF, NZDS или NZ). Внешне различить их нельзя, разница — в химическом/кристаллическом составе и, возможно, в геометрии центрального сердечника и в плавности границы между ним и оболочкой (к сожалению, так для себя и не прояснил этот вопрос до конца). Дисперсия в оптических волокнах — суровая и сложная для понимания штука, достойная отдельной статьи, поэтому объясню проще — по волокнам со смещённой дисперсией можно передавать сигнал без искажений дальше, чем по простым. На практике спайщики знают два типа: простое и «со смещёнкой». В кабеле часто выделяют первый модуль под «смещёнку», а остальные — под простые волокна. Стыковать «смещёнку» и простое волокно можно, но нежелательно, это вызывает один интересный эффект, о котором я расскажу в другой части, про измерения.


3 — пластиковые трубочки-модули, в которых плавают в гидрофобе волокна.

 

Легко ломаются (точнее, внезапно перегибаются) при изгибе наподобие телескопических антенн у бытовых приёмников, ломая внутри себя волокна. Иногда модуль бывает всего один (в виде толстой трубки), а в нём пучок волокон, но в этом случае нужно слишком много разных цветов для маркировки волокон, поэтому обычно делают несколько модулей, в каждом из которых от 4 до 12 волокон. Единого стандарта на расцветку и количество модулей/волокон нет, каждый производитель делает по-своему, отображая всё в паспорте на кабель. Паспорт прилагается к барабану кабеля и обычно пришпиливается степлером к дереву прямо внутри барабана.



Нужно смотреть паспорт на кабель, где всегда указана подробная расцветка и то, какого типа волокна в каких модулях лежат. Минимальная ёмкость «взрослого» кабеля, что я встречал — 8 волокон, максимальная — 96. Обычно 32, 48, 64. Бывает, что из всего кабеля занято 1 или 2 модуля, тогда вместо остальных модулей вкладывают чёрные заглушки-пустышки (чтобы габаритные параметры кабеля не изменились).


4 — плёнка, оплетающая модули. Играет второстепенные роли — демпфирующую, снижающую трение внутри кабеля, доп.защита от влаги, удерживающую гидрофоб в пространстве между модулей и, возможно, что-то ещё. Часто бывает дополнительно стянута нитками крест-накрест и с обеих сторон смочена гидрофобным гелем.
5 — тонкая внутренняя оболочка из полиэтилена. Доп.защита от влаги, защитная прослойка между кевларом/бронёй и модулями. Может отсутствовать.
6 — кевларовые нити или броня. На рисунке броня из прямоугольных прутков, но куда чаще встречается из круглых проволочек (в импортных кабелях — проволочки сталистые и трудноперекусываемые даже тросокусами, в отечественных — обычно из гвоздевого железа). Броня может быть и в виде стеклопластиковых прутков, таких же, как центральный элемент, но на практике не встречался с таким. Кевлар нужен, чтобы кабель выдерживал большое усилие на разрыв и при этом не был тяжёлым. Также часто используется вместо тросика там, где в кабеле не должно быть металла во избежание наводок (например, если кабель висит вдоль железной дороги, где рядом контактный провод с 27,5 кВ). Типичные значения допустимого растягивающего усилия для кабеля с кевларом — 6...9 килоньютонов, это позволяет выдержать большой пролёт при ветровой нагрузке. При разделке кевлар страшно тупит режущий инструмент. :) Поэтому его лучше резать или специальными ножницами с керамическими лезвиями, или откусывать тросокусами, что я и делаю.


Что касается брони — она призвана защитить подземный кабель, лежащий прямо в грунте, без защиты в виде пластиковой трубы, кабельной канализации и пр. Впрочем, защитить броня может только от лопаты, экскаватор всё равно рвёт любые кабели влёт. Поэтому подземный кабель закладывается в грунт на 1м 20 см, а над ним на глубине 60 см кладётся жёлтая или оранжевая сигнальная лента с принтом «Осторожно! Не копать! Ниже кабель», а также вдоль трассы ставятся столбики, предупреждающие таблички и аншлаги. Но всё равно копают и рвут.


7 — внешняя толстая оболочка из полиэтилена. Принимает на себя первой все тяготы при прокладке и эксплуатации кабеля. Полиэтилен мягкий, так что её несложно порезать при неаккуратной затяжке кабеля. Случается, что при прокладке подземного кабеля подрядчик порвёт до брони эту оболочку на несколько метров и не заметит, в грунте в кабель попадает влага несмотря на гидрофоб, а потом на сдаче, при испытаниях внешней оболочки мегаомметром, мегаомметр показывает низкое сопротивление (большой ток утечки).




Если висящий кабель касается бетонного столба или древа, полиэтилен также может быстро протереться до волокон.
Между внешней оболочкой и бронёй может присутствовать полиэтиленовая плёнка и некоторое количество гидрофобного геля.

Существует лаборатиря, изготавливающая опытные волокна для специальных целей

Их покупают у таких фирм, как Corning, OFS, Sumitomo, Fujikura и др. При этом в кабель закладывается импортное волокно. Субъективно все кабели похожи по конструкции и материалам и качеством особо не различаются.
Вот, собственно, я рассказал про устройство оптических кабелей. Идём дальше.



Разделка кабеля: необходимый инструмент и методика


Для разделки кабеля, как и для сварки, требуется ряд специфических инструментов. Типичный набор монтажника-спайщика – чемодан с инструментами «НИМ-25», в нём содержатся все нужные стрипперы, тросокусы, отвёртки, бокорезы, плоскогубцы, макетный нож и прочий инструмент, а также помпа или пузырёк для спирта, запас растворителя гидрофоба «D-Gel», нетканные безворсовые салфетки, изолента, самоклеящиеся цифры-маркеры для кабелей и модулей и прочие расходные материалы.

После доукомплектования расходными материалами (стяжки, червячные хомуты и пр) и некоторыми вспомогательными инструментами его вполне достаточно для работы с оптикой. Также существуют и другие наборы, богаче и беднее по комплектации («НИМ-Э» и «НИМ-К»). Слабое место большинства наборов – низкое качество «типа алюминиевого» кейса, который лишь выглядит красиво, но на самом деле состоит из тонкой ДВП, обклееной текстурированной/гофрированной фольгой, и алюминиевых тонких уголков на заклёпках. Он не выдерживает долго в полевых и городских условиях, и его приходится ремонтировать и усиливать. В моём случае кейс выдержал 3 года и, будучи весь подран, стянут уголками и болтами, с «колхозным» органайзером вместо родного, был сменён на обычный пластиковый ящик для инструментов. Некоторые инструменты и материалы из стандартного набора могут оказаться низкого качества. Некоторые инструменты лично мне оказались не нужны. Некоторые за 3 года работы уже были заменены. По мере расходования «фирменных» расходников некоторые заменяются «подручными» без ущерба для качества работы. Так, заводские нетканные безворсовые салфетки для протирки волокон легко заменяются туалетной бумагой типа «зевы плюс». :) Главное, чтоб была неароматизированная. Вместо дорогого (около 800 р/литр) D-Gel, если работа идёт на открытом воздухе, можно использовать бензин АИ-92.

При разделке кабелей важно выдержать длины элементов кабеля в соответствии с требованием инструкции к муфте: так, в одном случае может понадобиться оставить длинный силовой элемент, чтобы закрепить его в муфте/кроссе, в другом случае он не требуется; в одном случае из кевлара кабеля плетётся косичка и зажимается под винт, в другом случае кевлар отрезается. Всё зависит от конкретной муфты и конкретного кабеля.

Рассмотрим разделку наиболее типичного кабеля:

а) Перед разделкой кабеля, долго находившегося в сырости или без гидроизолированного торца, следует отрезать ножовкой примерно метр кабеля (если позволяет запас), так как длительное воздействие влаги негативно влияет на оптическое волокно (может помутнеть) и на прочие элементы кабеля. Кевларовые нити в кабеле — это отличный капилляр, который может «насосать» в себя воду на десятки метров, что чревато последствиями, если, например, параллельно с кабелем идут провода высокого напряжения: по мокрому кевлару могут начать гулять токи, вода испаряется, раздавливает изнутри внешнюю оболочку, кабель идёт пузырями и через пузыри от дождей попадает новая влага.

б) При наличии в конструкции кабеля отдельного троса для подвески (когда кабель в поперечном сечении имеет форму цифры «8», где в нижней части кабель, в верхней тросик) он выкусывается тросокусами и срезается ножом. При срезании троса важно не повредить кабель.

в) Для снятия внешней оболочки кабеля используется соответствующий нож-стриппер. НИМ-25 обычно комплектуется ножом «Kabifix» как на фото ниже, однако можно использовать и нож-стриппер для электрических кабелей, который с длинной ручкой.


Такой нож-стриппер имеет вращающееся во все стороны лезвие, которое можно отрегулировать по длине в соответствии с толщиной внешней оболочки кабеля, и прижимной элемент для удержания на кабеле. Важно: если приходится разделывать кабели разных марок, то перед разделкой нового кабеля нужно попробовать нож на кончике и, если прорезало слишком глубоко и повредило модули, лезвие надо подкрутить покороче. Хуже некуда, когда муфта уже сварена, и вдруг при укладке волокон одно волокно вдруг «выскакивает» из кабеля, потому что при разделке нож зацепил модуль и сломал это волокно: вся работа насмарку.
Ножом-стриппером для снятия внешней оболочки кабеля делается круговой разрез на кабеле, а затем от него – два параллельных разреза с противоположных сторон кабеля в сторону конца кабеля, чтобы внешняя оболочка распалась на две половинки.
Сварка оптики

Важно правильно выставить длину лезвия ножа-стриппера, так как при слишком коротком лезвии внешняя оболочка не разделится легко на две половинки и её придётся долго сдирать плоскогубцами, а в случае длинного лезвия можно повредить модули в глубине кабеля или затупить вращающееся лезвие о броню.

г) Если кабель самонесущий с кевларом, то кевлар срезается тросокусами либо ножницами со специальными керамическими лезвиями.

Тросокусы

Кевлар не следует срезать ножом или простыми ножницами без керамических накладок на лезвиях, так как кевлар быстро тупит металлический режущий инструмент. В зависимости от конструкции муфты может потребоваться оставить часть кевлара определённой длины для фиксации, про это будет сказано в инструкции по монтажу муфты.

Если кабель предназначен для прокладки в телефонной канализации и из брони содержит лишь металлическую гофру (чтоб крысы не прогрызли), её можно разрезать продольно специальным инструментом (усиленным плужковым ножом).Либо осторожно сделать маленьким труборезом или даже обычным ножом на гофре круговую риску и, пошатывая, добиться роста усталости металла в месте риски и появления трещины, после чего можно снять часть гофры, надкусить модули и стянуть гофру. Такую разделку нужно осуществлять особенно осторожно, так как легко повредить модули и волокна: гофра не слишком прочная, может промяться в том месте, где её ковыряют инструментами, и при стягивании с волокон острые края в месте надлома могут пропороть модули и повредить волокна. Кабель с гофрой не самый удобный для разделки.

Если кабель бронирован круглыми проволоками, их следует откусить тросокусами небольшими партиями, по 2-4 проволоки. Бокорезами получается дольше и тяжелее, особенно если проволока сталистая. Для некоторых муфт требуется определённая длина брони для фиксации, также броню (в том числе гофрированную) часто требуется заземлять.

д) Для внутренней, более тонкой оболочки, присутствующей в некоторых кабелях (например, в самонесущих с кевларом), следует использовать отдельный, заранее настроенный нож-стриппер (можно такой же, как для снятия внешней оболочки кабеля), чтобы не сбивать настройки длины ножа каждый раз при разделке кабеля. В данном случае особенно важно правильно выставить длину лезвия в ноже-стриппере, она будет меньше, чем в стриппере для снятия внешней оболочки кабеля, так как внутренняя оболочка существенно тоньше, а сразу под ней — модули с волокнами. При определённом навыке для удаления внутренней оболочки можно использовать обычный макетный нож, производя им продольный разрез, но есть существенный риск повредить модули. Можно также использовать стриппер-прищепку для разделки коаксиала.

е) С модулей при помощи салфеток и D-Gel/бензина удаляются нитки, пластиковая плёнка и прочие вспомогательные элементы. Нитки можно скручивать по одной, можно сдирать специальным острым «плужковым» крючком (может входить в конструкцию некоторых ножей-стрипперов для удаления оболочки). Для удаления гидрофоба используется растворитель D-Gel (бесцветная маслянистая жидкость, имеет запах апельсина, токсичен) или бензин. Однако с бензином аккуратно: сотрудники офиса, у которых под боком льётся бензин, не будут рады аромату. Да и пожароопасно.
Работать следует в одноразовых перчатках (хирургических, полиэтиленовых или строительных), так как гидрофоб — очень неприятная гадость (самое неприятное в работе спайщика!), тяжело отмывается, после бензина или гидрофоба руки остаются некоторое время жирными, а после разделки кабеля предстоит сварка волокон, требующая чистоты рук и рабочего места. Зимой руки, выпачканные в гидрофоб, сильно мёрзнут. Впрочем, наловчившись, можно разделывать кабели почти не пачкая руки.
После удаления ниток и разделения жгута модулей на отдельные модули каждый модуль протирается салфетками или ветошью с растворителем D-Gel/бензином, а затем спиртом до чистого состояния. Хотя, в целях экономии времени и чтоб меньше пачкаться, можно поступить следующим способом – изначально разделать кабель до модулей не до конца, а в месте откуда начинается разделка, сантиметров на 30, ничего не протирая надкусить модули (см. пункт «ё») и стянуть с волокон весь жгут модулей с намоткой и нитками, держась рукой за чистый конец кабеля как за ручку. Руки остаются почти чистыми, время экономится. Однако при таком способе разделки есть риск порвать часть волокон или приложить к волокнам чрезмерное растягивающее усилие, что отрицательно скажется на затухании волокон в будущем, а также больше вероятность повредить модули, поэтому такой способ не рекомендуется, особенно в зимнее время, когда гидрофобный заполнитель густеет. Сначала надо научиться делать правильно, а потом уже пробовать разные оптимизации.

ё) На необходимой длине каждый модуль (кроме модулей-пустышек, они выкусываются под корень, но сначала следует убедиться, что в них действительно нет волокон) надкусывается стриппером для модулей (подойдёт и для медного коаксиала), после чего модуль можно без особых усилий стянуть с волокон.

 

Надкусывание стриппером модулей — это очень ответственный момент. Нужно выбрать выемку точного диаметра, так как если выемка будет больше, чем нужно – модуль не надкусится достаточно, чтоб легко сняться, если меньше – есть риск перекусить волокна в модуле. Кроме того, следует внимательно следить за собачкой-фиксатором стриппера: если в момент надкусывания модуля она заблокирует обратный ход стриппера, зафиксировав его в «сомкнутом» состоянии, то чтоб разнять стриппер и откинуть фиксатор, придётся снова сомкнуть инструмент на уже надкусанном модуле, при этом есть большая вероятность перекусить модуль, что приведёт к необходимости заново разделывать кабель. Помним, что при надкусывании одного из модулей нам активно мешают прочие модули, которые надо придерживать другой рукой, и сам кабель на весу тоже как-то нужно держать. Поэтому поначалу будет очень неудобно и разделывать кабель следует вдвоём.
Существуют конструкции кабеля, где модуль единственный и имеет вид жёсткой пластиковой трубки в центре кабеля. Для качественного снятия такого модуля его следует надрезать по кругу маленьким труборезом (в НИМ-25 не входит), а затем осторожно надломить в месте круговой риски.


При стягивании модулей следует убедиться, что все волокна целы и ни одно волокно не осталось торчать из стянутого модуля.
Если температура низкая, модули тонкие, по конструкции кабеля в модулях мало гидрофоба (=смазки) или длина снимаемых модулей значительна – модуль может не стянуться с волокон без усилий. В этом случае нельзя сильно тянуть, так как растяжение может сказаться на затухании волокон в этом месте, даже если волокна не порвутся. Следует надкусывать и снимать модуль в 2-3 приёма, по частям и медленно.
При разделке кабеля следует обратить внимание на длину волокон. Она должна быть не менее указанной в инструкции, обычно это 1,5-2 метра. В принципе можно разделать и на 15 см и потом даже как-то сварить, но потом при укладке волокон в кассету возникнут большие проблемы: большой запас волокон нужен как раз для того, чтобы был простор для «манёвров» при укладке, чтобы можно было «сыграть» по длине и красиво уложить все волокна в кассету.

Иногда возникает необходимость ввариться в транзитный кабель, не разрезая его. В этом случае он так же, как обычный, разделывается до модулей, но требования к осторожности разделки жёстче: ведь по кабелю уже может идти связь. Он разделывается до модулей и модули аккуратно вводятся в «овальный» ввод муфты (в обычный круглый не войдут — сломаются), для этого ввода используется специальный комплект из термоусадки и металлический клипсы с блоком термоклея. Этот клей при усадке от высокой температуры расплавляется и заливает пространство между двух кабелей, обеспечивая герметичность. Далее тот модуль, в который надо ввариться, разрезается, те волокна из него, которые отпаивать не надо, свариваются обратно транзитом, а те, что нам нужны — привариваются к «отпайному» (ответвляющемуся) кабелю. Очень редко может возникнуть ситуация, когда нам нужно взять из модуля волокно, но резать модуль нельзя (по нему идёт важная связь).