Microcabos de fibra óptica - o passado, presente e futuro

Os cabos de fibra ótica evoluíram ao longo dos anos à medida que a demanda por largura de banda aumentou exponencialmente.

A densidade da fibra - a proporção do número de fibras ópticas para a área externa do cabo - continuou a aumentar. Hoje, os microcabos de ultra-alta densidade são comumente usados ​​em aplicações onde o espaço é limitado. Isso pode incluir micro cabos que são soprados em dutos ou roteados por data centers. Em cada caso, os cabos são projetados para serem compactos, mas fornecem a robustez necessária para proteger as fibras ópticas.

O objetivo principal de um cabo de fibra ótica é proteger a fibra óptica contida nele. Durante a instalação e durante a vida útil de um cabo, ele pode estar exposto a uma variedade de forças mecânicas e condições ambientais.

Dessa forma, as partes interessadas trabalharam juntas para desenvolver vários documentos que identificam condições típicas às quais os cabos podem ser expostos, dependendo da aplicação, e definem expectativas de desempenho sob tais condições.

Embora as aplicações tradicionais aéreas e enterradas diretas exijam um cabo robusto que seja capaz de resistir a forças severas, conforme descrito em documentos do setor, esses cabos geralmente são projetados para muitas aplicações.

Particularmente em ambientes FTTx, onde a densidade de fibra e o diâmetro de cabo reduzido são preferidos, muitas aplicações permitem projetos alternativos que podem não ser tão robustos quanto os cabos tradicionais. Tais cabos são geralmente chamados de micro cabos.

Este artigo enfoca os micro cabos projetados para três aplicações diferentes:

  • cabos fora da fábrica (OSP) para uso em microdutos,

  • cabos internos para uso fora de dutos

  • cabos internos para uso dentro de microdutos.

Cabo tradicional OSP

Normalmente, os cabos OSP consistem em grupos de fibras soltas dentro de tubos de proteção, onde vários tubos são agrupados sobre um membro de força central (CSM). O núcleo trançado pode ser coberto com membros adicionais de força e / ou blindagem corrugada junto com a (s) capa (s) externa (s). A figura 1 mostra a construção de um típico cabo OSP, adequado para enterramento direto.

Os cabos OSP tradicionais são geralmente projetados e testados para atender aos requisitos para cabos de fibra óptica GR-20. Em particular, esta norma define os métodos e critérios de teste para determinar as faixas de resistência ao impacto e compressão, resistência à tração e temperatura de operação dos cabos. O material e as dimensões do tubete podem ter um impacto significativo em cada uma dessas características.

Fibras ópticas usam ondas de luz para transmitir sinais. À medida que a onda de luz percorre a fibra, parte da energia é naturalmente perdida à medida que a luz escapa do núcleo. Além disso, curvas macro e micro curvas da fibra podem causar perdas adicionais de atenuação. Por exemplo, como o tubete se contrai na temperatura de operação fria, a fibra pode se dobrar se não houver espaço livre suficiente dentro do tubete, criando uma perda significativa de macro-flexão. Alternativamente, se as fibras forem esticadas contra uma superfície de tubo de amortecimento áspera sob as cargas de tração e curvas aplicadas durante e após a instalação, as fibras podem sofrer perda significativa de micro-flexão.

De modo a ultrapassar estes problemas, os tubos de proteção ( ou tubetes ) têm utilizado tradicionalmente um grande diâmetro interno (ID) para proporcionar um espaço livre considerável para as fibras, resultando num grande diâmetro externo (OD). O grande OD permite um grande elemento de força central (CSM), que contribui significativamente para a resistência à tração do cabo e limita a contração em temperaturas frias. No entanto, este projeto resulta em um grande diâmetro externo de cabo e, portanto, baixa densidade de fibra. A densidade da fibra é definida como a relação entre o número de fibras e a área da seção transversal do cabo. Para o cabo tradicional OSP de 72 fibras mostrado na Figura 1, a densidade da fibra é de 46 cm2.

Cabo de microduto OSP

Os dutos de fibra ótica, geralmente tubos de plástico, têm sido usados ​​desde 1981 como um canal para rotear cabos e limitar sua exposição a muitas forças externas.

Inicialmente, os dutos usavam cabos OSP tradicionais, mas eram frequentemente superdimensionados para essas aplicações. Naturalmente, os fabricantes de cabos rapidamente começaram a desenvolver cabos menores e menos robustos para aproveitar essa tecnologia. Como os tamanhos dos cabos continuaram a diminuir, os fabricantes de dutos puderam desenvolver dutos menores.

Na década de 1990, isso levou ao desenvolvimento de dutos multitubulares. Enquanto um duto tradicional de 1¼ ”era adequado para um cabo de 288 fibras , o multiduto de 1¼”, contendo cinco microdutos, era adequado para cinco micro-cabos de 72 fibras cada um, totalizando 360 fibras . Isso aumentou a densidade de fibra do sistema de dutos em 25% e iniciou uma tendência que continuou até o ano de 2010.

Os cabos de microdutos foram incluídos na terceira edição do GR-20-Core, lançada em 2008, embora nenhum requisito tenha sido definido. A quarta edição, lançada em 2013, refere-se aos requisitos da norma IEC 60794-5-10 e permite testes em níveis mais baixos do que o cabo OSP tradicional (uma vez que os cabos são instalados em dutos de proteção). Isso é importante para entender, pois, para uma determinada contagem de fibras, o tamanho dos componentes individuais - tubo de buffer, CSM e revestimento externo - deve diminuir para que a densidade da fibra aumente.

Uma redução no tamanho do tubo intermediário pode resultar em um tubo menos resistente à compressão e menos espaço livre para as fibras dentro do tubo, tornando o cabo menos resistente a cargas compressivas.

Desenvolvimento futuro de cabos de microdutos

O desenvolvimento recente de fibras ópticas de 200 µm permitirá aumentos adicionais na densidade da fibra, tanto com cabos OSP tradicionais quanto com cabos de microdutos.

Cabos internos

Cabos tight tradicionais

Na transição de cabos OSP para cabos internos, os requisitos mudam significativamente, então a construção desses cabos também muda. Notadamente, os cabos internos devem ser retardadores de chama, de modo que, em caso de incêndio, os cabos não propaguem a chama e a fumaça por toda a estrutura. Além disso, os cabos devem ser mais flexíveis para facilitar a instalação e as fibras devem permitir a conectorização.

Para atender a esses requisitos alternativos, os cabos internos tradicionais utilizam fibras de 900 µm em formato tight , elementos de tração semi-rígidos ou não rígidos e materiais de revestimento e buffer retardadores de chama. A Figura 3 mostra a construção de um cabo de backbone interno típico com uma densidade de fibra de 25 cm2.

Os cabos internos tradicionais são geralmente projetados e testados para atender aos requisitos do GR-409-Core da Telcordia. Novamente, este padrão define os métodos e critérios de teste para determinar as faixas de resistência ao impacto e compressão, resistência à tração e temperatura de operação dos cabos.

Semelhante aos cabos OSP, os materiais e as dimensões dos cabos internos podem ter um impacto significativo em cada uma dessas características. Embora esse padrão faça distinção entre cabos de interconexão para serviços leves e cabos de backbone para serviço pesado, ele não inclui requisitos para cabos de dutos internos.

Microcabos internos

Como as fibras ópticas são capazes de transportar muita largura de banda, os cabos com baixa contagem de fibra são adequados para a maioria das residências unifamiliares. No entanto, algumas aplicações, como os data centers, exigem cabos de alta contagem de fibras e se beneficiam enormemente da alta densidade de fibra, pois exigem menos espaço e são menos restritivas ao fluxo de ar.

Como esses cabos podem ser instalados diretamente, fora dos dutos, eles são projetados para atender aos requisitos de cabos de backbone. Nesse sentido, os cabos atendem aos mesmos requisitos mecânicos, ambientais e de segurança dos tradicionais cabos internos com buffer. No entanto, devido às opções de aplicação e conector, os primeiros microcabos foram desenvolvidos onde as fibras nuas substituíram as fibras compactas. Como visto na Figura 4, a mudança da fibra tight para fibra nua fornece uma maneira de reduzir o diâmetro do cabo e aumentar a densidade da fibra. No entanto, alterações adicionais são necessárias. Por um lado, as fibras multimodo usadas em muitos cabos internos são mais sensíveis a macro flexão e micro flexão do que as fibras monomodo usadas na maioria dos cabos OSP. Em projetos de internos tradicionais, a proteção tight sobre a fibra minimiza a exposição da fibra a essas condições. Para limitar estes efeitos sem o tight buffer, a escolha do material do revestimento retardador de chama torna-se crítica.

Os materiais de revestimento tradicionais retardadores de chama utilizados para cabos internos incluem fluoropolímeros e cloreto de polivinil (PVC). Há vantagens para cada um, mas compostos de PVC são preferidos por causa de seu custo e propriedades físicas personalizáveis.

Além da proteção mecânica, os materiais de revestimento retardadores de chama limitam a propagação da chama e a geração de fumaça quando os cabos são expostos ao fogo. Comumente em data centers, os cabos são instalados em locais de plenum e os cabos devem ser classificados para uso nesses locais.

Ao longo dos anos 2000 e 2010, os fabricantes de cabos e compostos de PVC têm colaborado para desenvolver materiais retardadores de chamas de alto desempenho, permitindo um aumento contínuo na densidade da fibra e na contagem de fibras por cabo.

Com materiais e design adequados, os micro-cabos internos podem atender aos mesmos níveis de desempenho mecânico, ambiental e de segurança dos tradicionais cabos internos com OD de cabo significativamente reduzido e maior densidade de fibra. Além disso, os microcabos permitem contagens de fibra mais altas, incluindo o cabo de fibra 288 compatível com o backbone horizontal GR-409-Core desenvolvido no início deste ano.

Cabos internos para microdutos

Por muitas das mesmas razões que os cabos de microdutos são benéficos em ambientes OSP, eles também são benéficos em ambientes internos. Semelhante aos cabos de microdutos OSP, os cabos de microdutos internos são jateados ou soprados em dutos com ar comprimido. No entanto, neste caso, os microdutos são tubos feitos de plásticos retardadores de chama e podem ser listados de segurança de forma independente, permitindo futuras expansões do sistema.

Mais uma vez o microduto impede que esses cabos sejam expostos a muitas forças mecânicas. No entanto, a revisão mais recente do GR-409-Core, lançada em 2008, não aborda os cabos de microdutos internos. Enquanto os micro-cabos internos discutidos anteriormente podem ser usados ​​em dutos, o desenvolvimento de cabos de microdutos internos de densidade ultra-alta de fibra, também chamado de fibra air-blown, começou em 2009. Esses cabos são projetados e testados para atender aos requisitos dos cabos de interconexão.

A seleção do material é novamente crítica, pois esses cabos devem atender aos mesmos requisitos de segurança que outros cabos internos, ao mesmo tempo em que fornecem a rigidez adequada para a instalação adequada. A substituição de subunidades armazenadas em buffer por fibras agrupadas permite uma densidade de fibra muito alta. A Figura 5 compara um cabo de microduto interno de fibra de 72 fibras com uma densidade de fibra de 453 cm2 ao micro-cabo interno discutido anteriormente.

Desenvolvimento futuro de microcabos internos

Além do desenvolvimento com fibras de 200 µm, está em andamento o trabalho com o Spider Web Ribbon (SWR). Ao contrário da fita tradicional, o SWR consiste em fibras de 250 µm fixadas intermitentemente com resina curável por UV. Como tal, a fita pode ser facilmente formada em um feixe dentro de um cabo e desenrolada para emenda de fusão em massa. Alternativamente, as fibras podem ser facilmente separadas.2 O trabalho de desenvolvimento também está em andamento com materiais retardadores de chama sem halogênio.

Conclusão

Desde 1974, quando o primeiro sistema de cabo óptico foi implantado em Long Beach, Califórnia, fibras ópticas, cabos e sistemas foram alterados para atender às necessidades dos clientes.

Em particular, micro cabos, cabos menores com maior densidade de fibra que os cabos tradicionais, estão evoluindo, com designs atuais adequados para uma variedade de aplicações, incluindo redes backbone e FTTx. Essas construções de cabos suportam a necessidade de maior densidade de fibra e menor diâmetro do cabo. Além disso, como os cabos podem ser acionados quando necessário, os instaladores podem reduzir os custos iniciais de investimento. Utilizando fibras melhoradas, insensíveis à curvatura, materiais retardadores de chamas com melhor desempenho e projetos inovadores de cabos e dutos, os microcabos atuais atendem aos padrões de desempenho desenvolvidos pela indústria e protegem adequadamente as fibras ópticas.


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