هسته کابل فیبر نوری
در طراحی کابل‌های نوری معمول، یک یا چند رسانای فیبر نوری در ساختار معینی به یکدیگر می‌پیوندند و مرکز کابل به نام هسته کابل فیبر نوری را تشکیل می‌دهند. برای ساخت هسته یک کابل راه‌های متنوعی وجود دارد و در واقع کابل‌های فیبرنوری بیشتر با مدل هسته خود مشخص می‌شوند.
طراحی کابل با تیوب مرکزی
ساده‌ترین ساختار یک کابل نوری طراحی با یک تیوب در مرکز کابل مرکزی است. در اینجا، فقط یک لوزتیوب قرار گرفته و یک هسته کابل فیبر نوری ساده را تشکیل می‌دهد. با وجود آنکه طرح‌بندی کلی کابل با تیوب مرکزی ساده و آسان است، عملکرد چنین کابلی نیازمند در نظر گرفتن برخــی ملاحظات است. برای یک لوزتیــوب که بدون هیچگونه طول اضافی فیبر، به طور مستقیم در یک کابل قرار گرفته است، کشش کابل به طور اتوماتیک به کشیدگی فیبر می‌انجامد. برای جلوگیری از این امر، باید فیبرهایی با طول اضافی مشخص در لوزتیوب استفاده شوند. در هرحال، استفاده از تعداد زیاد فیبر با طول اضافی بیشتر، می‌تواند باعث افزایش قطر تیوب گردد که این امر مشکلاتی را برای برخی از کاربردهای مختلف فیبر به همراه دارد، از جمله حداقل شعاع خم شدن مجاز کابل نسبتا بزرگ خواهد بود. علاوه بر این، پایداری عرضی یک کابل با ساختار تیوب مرکزی عمدتا زمانی وجود خواهد داشت که تعداد فیبرها کم باشد. ساده‌ترین کابل با تیوب مرکزی، یک لوزتیوب پوشانده شده با الیاف شیشه و محصور شده با یک غالف پلاستیکی است.
الیاف شیشه تنها عملکرد کششی مورد نیاز را فراهم نمی‌کنند، بلکه مقاومت فشاری معینی را نیز ارائه می‌دهند. کابلی با این ساختار، برای کابل‌کشی درون خانه و کاربرد در کانال با دامنه دمایی محدود بسیار مناسب است. برای کاربردهای خارج از خانه با نیازمندی‌های جدیدتر، عناصر استحکامی اضافی باید در پوشش کابل قرار گیرند تا انقباض ناشی از دمای پایین کاهش یابد.
طراحی با لوزتیوب تابیده شده
کابل های دارای لوزتیوب تابیده شده طراحی کابل فیبرنوری است که غالبا در سراسر جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد و قطعا می‌توان به عنوان مدل کابل استاندارد به آن اشاره کرد. خارج از خواص مکانیکی نشأت گرفته از تابیدن، همچون انعطاف‌پذیری، این طراحی امکانی را فراهم می‌آورد تا با قراردادن فاصله بین المان‌های کابل، آنها را در کشش‌های بالا محافظت نماید. معمولا، تیــوب‌های کابـل‌های فیبـرنوری در لایه‌های متحدالمرکز به دور یک عنصر مرکزی که از آن به عنوان عنصر مقـاوم مرکـزی (CSM ) نیز یاد می‌شـود، تابیده می‌شوند.
عناصر می‌توانند در یک جهت به دور محور کابل قرار گیرند و یا آن‌گونه که امروزه عرف است در جهات متناوب پیچ بخورند. (تابنده SZ) چنین کابل‌هایی می‌توانند در چندین لایه ساخته شوند تا به شمار فیبر بالا برسند. این طراحی امکان قرارگیری لوزتیوب‌ها را به صورت هلیکال به دور محور کابل فراهم می‌آورد. در نتیجه، طول فیبر بزرگتر از طول خطی کابل است. به بیان دیگر، تابیدن لوزتیوب‌ها، مقداری طول فیبر اضافی به وجود می‌آورد که همان گونه که در پایین شرح داده می‌شود موارد استفاده بسیاری خواهد داشت.
در صـورتی که لوزتیـوب‌ها طول فیبـر اضافـه نداشته باشند و زمانی که هیچ بار کششـی بر کابل وارد نمی‌شود، فیبرها خود را در مرکز تیوب‌ها قرار می‌دهند. در صورت نیاز، فیبرهای درون تیوب می‌توانند به صورت شعاعی حرکت کنند. در نتیجه، زمانی که بار کششی طولی، سبب کشیده و دراز شدن هسته کابل فیبر نوری می‌شود، فیبرها به طرف محور کابل حرکت می‌کنند. در مقابل، در هنگام انقباض کابل به طور مثال بر اثر دمای پایین، فیبرها به سمت بیرون حرکت می‌کنند. زمانی که کشیدگی کابل بیش از حد ناشی از طول‌های اضافی فیبر باشد، خود فیبرها نیز در اثر فشار کششی مداوم دراز می‌شوند. اگر چنین فشار کششی فقط برای مدت کوتاهی اتفاق افتد، مثال در حین کشیدن کابل درون کانال‌های حفاظتی، کشیدگی فیبر تا چند در هزار بحرانی نخواهد بود، مشروط به اینکه کابل پس از کشیده شدن به حالت اولیه خود برگردد.
در هسته کابل فیبر نوری در زمانی که در حالت بیباری است، فیبرها درون لوزتیوب قرار گرفته‌اند. در صورتی که کابل کشیده شود، فیبرها به سمت مرکز هسته کابل حرکت می‌کنند تا به سطح داخلی تیوب‌ها برسند. در مقابل اگر کابل منقبض شود فیبرها به سمت خارج حرکت می‌کنند. برای کابل‌های زیر بار کششی دائمی، مانند کابل‌های هوایی، از کشیدگی فیبر باید جلوگیری شود چرا که این سبب کاهش طول عمر فیبر خواهد شد. برای جبران این تأثیر، چنین کابل‌های هوایی معمولا با یک حاشیه کشیدگی اضافی از طریق استفاده از 2 درهزار (‰2) طول اضافه درون لوزتیوب ساخته می‌شوند. با این حال، این امر حاشیه فشردگی را به تناسب کاهش می‌دهد، به همین دلیل کابل‌های هوایی معمولا برای تأسیسات زیرزمینی مناسب نیستند. اگر انقباض کابل از مقدار مشخص شده به وسیله حاشیه فشردگی فراتر رود، فیبرها ممکن است درون تیوب به هم فشرده شوند و یک طول فیبر اضافی را درون آن علاوه بر حاشیه فشردگی ناشی از تابیدن، به وجود بیاورند.
چنانکه این امر در حالتی بی نظم اتفاق افتد، شعاع خم فیبرها سریعا آنقدر کوچک می‌شود که باعث ایجاد تضغیف می‌گردد. از آنجایی که نه خود فیبرها و نه پوشش‌های محافظ آن قادر به جذب و تحمل بارهای کششی و فشردگی نیستند، تقریبا همه کابل‌های فیبر نوری- بسته به کاربردشان – باید دارای عناصر خاصی باشند تا امکان رهایی از فشردگی و کشش آن را فراهم آورد. مهندسی کابل باید شامل مشخصـاتی از پارامترهای صحیح تابیدن، که به ابعاد لوزتیـوب و انتخاب مواد مناسب برای کل کابل وابسته است، باشد تا ویژگی‌های خاص مورد نظر، مانند بیشینه بار کششی، دما و غیره محقق شود. از آنجـایی که ضریب کشـش فیبر در مقایسـه با ضریب کشش پلاستیک‌های درون کابل جزئی و کوچک است، تغییرات ناشی از دمای طول کابل، اثر مستقیم بر طول اضافه فیبر دارد. برای جبران تغییرات دمایی طول کابل، کشش و فشردگی، عناصر کمکی ساخته شده از موادی که مقاومت کششی بالاتر و ضریب دمایی کمتری برای انبساط و انقباض دارند، درون کابل‌ها استفاده می‌شوند.
در هنگام کشـــش و یا جمــع شــدگی کابل و در حــدود محاسبه شده افزایش و یا کاهش طول، فیبرها کشیده و یا فشرده نمی‌شوند و تغییری در تضعیف ایجاد نمی‌شود. اگر به دلیل کشش و یا تعییرات دمایی کابل‌ها بیش از حد کشیده و یا فشرده شوند، تضعیف بطور قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌یابد. عنصر مقاوم مرکزی تضمین می‌کند برای دامنه‌ای از درجه حرارت کاهش طول را جبران نماید. علاوه بر فولاد که می‌تواند به عنوان عنصر قدرت مرکزی در کابل‌هایی که الزامی برای تمام عایقی ندارند استفاده شود، پلاستیک‌های تقــویت شده با الیــاف شیـشه (FRP )که ماده‌ای عایـق (دی الکتریک) است نیز در کابل‌های نوری تمام عایق و یا هسته کابل فیبر نوری با عنصر مرکزی دی الکتریک استفاده می‌شود. اگر قدرت عنصر مقاوم مرکزی انتخاب شده برای حفاظت کابل در مقابل نیروهای کششی کافی نباشد، عناصر قدرتی بیشتری (عمدتا نخ‌های شیشه‌ای و یا آرامید) می‌توانند به ویژه در زیر یا در غلاف خارجی کابل تعبیه شوند.
با این حال، این نخ‌ها نمی‌تواند نیروهای طولی انقباضی را جبران کنند. در صورت نیاز، برای جلوگیری از نفوذ طولی آب به کابل، می‌توان هسته کابل را، در محل شکاف‌های بین تیوب‌های تابیده شده، با یک ماده پرکننده پر نمود. به طور کلی، برای این منظور می‌توان از ژله استفاده نمود. الزامی که برای مواد پرکننده مطرح می‌شود سازگاری کامل آنها با اجزای دیگر کابل است. همچنین این مواد باید دمای ریزش بالا داشته باشند تا از ریزش و یا روان شدن آنها در درجه حرارت بالا جلوگیری به عمل آید. غیر از روش استفاده از مواد پرکننده، برای جلوگیری از نفوذ طولی آب، می‌توان هسته کابل را با مواد جاذب رطوبت پوشاند. اثر حفاظتی این مواد پس از نفوذ آب در زیر غلاف کابل و تماس با این لایه عملیاتی می‌شود.
در جدول 1 ،مشخصـات مکانیکــی و حرارتـی مـواد مورد استفاده در ساختــارهای کابل نـوری آورده شده است. با استفاده از این مشخصات، عملکرد کابل در شرایط بار و یا در دامنه حرارتی مشخص قابل ارزیابی است.
فرآیند تابیدن (استرندینگ)
در طراحـی لوزتیـوب تابیده شده، تیـوب‌ها به دور عنصـر مقاوم مرکزی به صورت مارپیچی و یا براساس روش (SZ ) تابیـده می‌شــوند. روش SZ، معمول‌ترین روش تابیدن برای کابل‌های نوری است، در این روش امکان تابیدن با سرعت بالا وجود دارد. همچنین در ماشین آلات تابنده نیاز به دوار نمودن قسمت‌های ابتدایی و انتهایی خط تولید نخواهد بود. در هنگام نصب کابل نوری و برای انشعاب‌گیری، دسترسی به المان‌های هسته کابل فیبر نوری و استفاده از آنها به سهولت انجام می‌گیرد.
در ماشین‌های تابنده SZ ، لوزتیوب‌ها به تعداد مورد نیاز و نیز فیلرها از میان صفحه تابنده هدایت می‌شوند در حالیکه عنصر مرکزی از میان آنها هدایت می‌شود. با چرخاندن صفحه تابنده و با چندین چرخش ساعتگرد و پادساعتگرد و کشیدن همه عناصر با سرعت ثابت، ساختاری مشابه طناب و با طول گام مشخص ایجاد می‌شود. در محل تاب لوزتیوب‌ها با نخ بایندر به عنصر مرکزی محکم می‌شوند. هسته کابل در نهایت می‌تواند به وسیله نوار کاغذی جاذب رطوبت و یا نوار پلاستیکی پوشانده شود، به علاوه عناصر قدرتی ممکن است برای انتقال بار بیشتر و بهتر به غلاف لایه بعد، با مواد مذاب داغ روکش شوند.
کابل با ساختار میکروتیوب
در حال حاضر، در مشخصات کابل‌های مورد استفاده در مخابرات راه دور و یا شبکه‌های دسترسی (Access ) استفاده از طراحی شناخته شده و اثبات شده لوزتیوب تابیده شده الزامی است. در مواردی که لازم باشد قطر کابل کاهش یابد و یا در هسته کابل فیبر نوری با قطر مشخص، تعداد فیبر بیشتری استفاده شود، می‌توان از طراحی‌های جدیدتری مثل کابل با المان نواری (Ribbon )و یا کابل با تیوب مرکزی استفاده کرد.
با این وجود، برای رسیدن به کوچک سازی کابل و در عین حال حفظ مزایای کابل با لوزتیوب مثل شناسایی آسان و سهولت کار با تیوب‌ها و همچنین استفاده از تجهیزات اتصال استاندارد، بسیاری از تولیدکنندگان، کابل‌های متفاوتی با بکارگیری تیوب‌های نیمه تنگ عرضه کرده‌اند. این طرح‌های جدید بر معایب کابل با لوزتیوب استاندارد مثل مشکلات لخت کردن فیبر در این گونه کابل‌ها غلبه کرده است. در این کابل‌ها، از تیوب‌های بسیار کوچک و قابل انعطاف نیمه تنگ مشابه Tight buffer ولی حــاوی تا 12 فیبـرنوری استفـاده می‌شود. ابعاد کوچک، پیاده‌سازی ظرفیت فیبر بالا را در فضاهای تنگ را ممکن ساخته و زمان و در نتیجه هزینه نصب و راه اندازی را می‌توان به طور قابل توجهی کاهش داد. تیوب‌ها از مواد نسبتا نرم تشکیل شده‌اند، در هسته کابل عنصر مقاوم مرکزی تعبیه نشده و تیوب‌ها توسط یک ژاکت که با عناصر مقاومتی تقویت شده است پوشانده می‌شود.
تیوب‌ها در درون هسته کابل فیبر نوری ممکن است به صورت SZ یا هلیکال تابیده شوند. با توجه به این طراحی، ترجیحا کابل دارای هسته خشک است که برای جلوگیری از نفوذ رطوبت از نخ‌های جاذب رطوبت در ساختار کابل فیبر نوری استفاده شده است. دو عنصر مقاومی که در ژاکت کابل تعبیه شده، برای حفاظت و بالا بردن مقاومت کابل در برابر نیروهای فشاری و کششی بکار می‌روند. اگر مقاومت کششی بیشتری مورد نیاز باشد، عناصر قدرتی اضافی (به عنوان مثال نخ آرامید) را می‌توان در هسته کابل استفاده نمود. بسته به نوع کاربرد کابل، توازن مناسبی را می‌توان بین کشش مجاز کابل و قطر آن در نظـر گرفت. به طور کلی، در طراحی‌هایی که به تازگی توسعه یافته‌اند، ترکیبی از مزایای استفاده از کابل با لوزتیوب (شناسایی و کابل با تیوب مرکزی ) عدم وجود عنصر مقاوم مرکزی مورد نظر بوده است. مهم‌ترین موضوع برای طراحی کابل جدید با استفاده از لوله‌های نیمه تنگ که در بالا توضیح داده شد، عملکرد آنها در دماهای پایین است. از آنجاکه در تیوب‌های جدید فضای بازی برای فیبر وجود ندارد، جبران انقباض طولی کابل مانند آنچه در طراحی لوزتیوب معمولی رخ می‌دهد، نخواهد بود. بهبود عملکرد کابل در دمای پایین را باید با اقدامات مختلف به دست آورد. در مرحله نخست، لازم است عناصر قدرتی در ژاکت کابل را به درستی انتخاب نمود تا انقباض ژاکت را در حداقل ممکن قرار دهد. در مرحله دوم، فاصله بین هسته کابل و سطح داخلی ژاکت را به دقت و به منظور اجازه حرکات آزادانه هسته در تغییرات درجه حرارت، تنظیم نمود.
ترجمه و تهیه: مهندس علی مساواتی
