Оптические разъемы. Потери в соединении и способы полировки.

Для обеспечения высокоэффективной коммутации в волоконно-оптических сетях прежде всего необходимы надежные и достаточно дешевые разъемы с хорошими характеристиками передачи.

При разработке оптических коннекторов (таким термином чаще всего пользуются для определения оптических разъемов в целом и их частей) необходимо было создать простые, надежные и доступные конструкции, обеспечивающие малые уровни потерь и отраженного оптического сигнала. Необходимо было учесть, что использование волоконно-оптических технологий в локальных сетях чаще всего упирается в экономический аспект. Цена оптического коннектора не должна быть неоправданно высокой.

Удовлетворить всем требованиям в рамках одной конструкции достаточно непросто, на сегодняшний день разработано около семидесяти типов оптических коннекторов для ВОЛС. Каждый такой разъем имеет своё назначение, достоинства и недостатки.

Наиболее распространены симметричные коннекторы с конструктивным решением штекерного типа.

Для соединения двух оптических коннекторов разработаны и применяются оптические адаптеры. Соединяемые коннекторы могут быть как одного типа, так и разных типов. В таком случае они соединяются в гибридном оптическом адаптере. Сегодня производители предлагают разные модели гибридных адаптеров, которые позволяют соединять друг с другом большинство часто используемых типов коннекторов. В некоторые виды адаптеров при необходимости могут устанавливаться аттенюаторы. То есть Специальные приспособления для ослабления оптического сигнала.

В конструкции штекерного типа оптическое волокно фиксируется в прецизионном наконечнике -ферруле. Феррула же, в свою очередь, вставляется в прецизионную вставку-центратор. Фиксировать коннектор в адаптере можно с помощью байонетного, резьбового или замкового соединения.

Зачастую многое оборудование требует использования дуплексных пар оптических волокон. Специально для такого случая разработаны дуплексные коннекторы. Изначально реализация дуплексного коннектора представляла собой пластиковый зажим из двух симметричных половин, содержащих гнезда. В эти гнезда укладывалась пара коннекторов и фиксировалась защелкой. В таком случае оправданным для создания дуплексного коннектора было использования тех разъемов, которые имели прямоугольник в сечении своего коннектора.

Возрастание объемов продаж оборудования, использующего дуплексные пары оптических волокон, создало необходимость в разработке дуплексных коннекторов в едином корпусе. На сегодняшний день практически всеми производителями оптических коннекторов предлагаются разные варианты дуплексного исполнения коннекторов.

Очередным шагом в развитии производства разъемов для соединения оптических волокон стало создание соединителей для ленточных элементов в едином буферном покрытии. Однако, даже с помощью сварки( метода более точного и надежного) получить стыки таких волокон с высоким качеством достаточно сложно, а доля ленточных волоконно-оптических кабелей в мире пока невелика (их используют в США и Японии). Однако нельзя исключать, что с распространением многоволоконных кабелей возрастет потребность и в соответствующих разъемных соединителях.

Основные параметры передачи

Основные характеристики оптических коннекторов можно условно разделить на следующие группы:

1) параметры передачи

2) долговременная стабильность

3) стойкость к воздействию внешних факторов.

Зависимость вносимых потерь от способа полировки

Основными параметрами передачи оптических коннекторов являются вносимое затухание и обратное отражение. Эти параметры зависят от следующих факторов. Поперечное смещение осей, угол между осями, а также от френелевского отражения оптического сигнала на границе раздела двух оптических сред.

Вносимые потери за счет скосов при полировке

Наибольшее значение для оценки потерь, вносимых разъемным соединением, имеет оптическое затухание. Значение этого параметр оказывает влияние на величину суммарных потерь в оптическом канале. Величина оптического затухания в основном зависит от разъюстировки (поперечного отклонения) сердцевин стыкуемых оптических волокон.

Формирование вносимых потерь в коннекторах PC и UPC

Оптический контакт в коннекторах серии APC

Однако, помимо вносимого затухания, есть и другие характеристики, влияющие на суммарные потери. К таким характеристикам относят обратное отражение. Основной источник отраженного сигнала - граница раздела двух сред. Такой границей, напрмер, может являтся место соприкосновения оптоволокна с воздухом. Обратное отражение может достигать значительных величин. Кроме того, обратное отражение нестационарно. Т.е. Значение этой величины непостоянно во времени. Под влиянием внешних воздействий оно в конечном итоге может нарушить стабильность работы системы. Наиболее серьезные проблемы обратное отражение создает для узкополосных высококогерентных лазеров (которые используются в DWDM-системах и в оборудовании для сетей кабельного телевидения).

Вследствие небольшого количества разъемных соединений в тракте требования к величине вносимых ими потерь были несколько снижены по сравнению с требованиями, предъявляемыми, например, к сварным соединениям. Это позволяет производителям значительно упростить конструкцию и снизить стоимость изделий, в которых позиционирование стыкуемых волокон ограничивается пассивной поперечной юстировкой.

Технология оконцевания

Существуют различные технологии оконцевания, то есть монтажа коннекторов на оптические волокна.

Первоночально предполагалось, что технология создания разъемных соединений будет включать в себя закрепление соединяемых оптических волокон в штекере-заготовке с помощью химического фиксатора. Таким фиксатором может быть эпоксидный клей и его аналоги. После закрепления волокно необходимо было сколоть, а затем особым образом отполировать торец разъема с выступающим волокном для получения необходимой формы торца.

Для ускорения процесса установки были разработаны технологии без использования клея. В таком случае используют механическую фиксацию волокна встроенными в коннектор зажимами, термофиксацию клеями-расплавами и другие варианты. Однако, со временем популярность подобных технологий упала. Причинами этого послужила хладотекучесть клеев под давлением. Из-за этого оптическое волокно внутри коннектора со временем смещалось вдоль оси, что влекло за собой ухудшение или потерю физического контакта. Вносимые потери и обратное отражение увеличивались.

На сегодняшний день распространены коннекторы с вмонтированным отрезком оптического волокна в буферном и вторичном покрытиях. Такой отрезок соединяется с волокном кабеля. Несмотря на то, что вместо одного места стыка получается два, такая технология хорошо зарекомендовала себя на практике. Ее основное достоинство - отсутствие при оконцевании волокон технологической операции полировки торца коннектора, требующей больших затрат времени, а для высокоскоростных сетей - еще и дорогостоящего оборудования шлифовки и контроля. Эти процедуры проводятся в стационарных условиях на предприятии-изготовителе. Подобный подход позволяет производителю практически бесконечно улучшать качество полировки торцов соединяемых волокон, использовать новые технологии, направленные на сокращение потерь и улучшение параметров оптических разъемов, не заставляя при этом покупателя приобретать все более совершенное и дорогое оборудование для окончательной подготовки разъемов к работе.

Обеспечение оптического контакта

Технологически непросто добиться получения полностью перпендикулярных торцов с идеальными поверхностями контакта в процессе полировки волокон. Уменьшение величины отраженного сигнала требует гарантированного отсутствия воздушного клина между сердцевинами оптических волокон, подлежащих соединению. Торцы обоих волокон формируют в виде полусфер. При стыковке задается продольное усилие, которе прижимает волокона, что вызывает упругую деформацию торцов. Контакт в области сердцевин соединяемых волокон улучшается, зазор между ними становится минимальным.

Плоские коннекторы (Flat connectors)

Одним из первых решений по подготовке торцевых поверхностей была полировка торца наконечника с укрепленным в нем оптическим волокном перпендикулярно оси волокна. Во избежание непосредственного контакта волокон, который может привести к серьезным повреждениям, - царапинам и сколам, - при таком подходе реализуется углубление около нескольких микрометров (2-3 мкм). Для улучшения характеристик иногда применяется иммерсионный гель, коэффициент преломления которого близок к материалу оптического волокна. Гель заполняет зазор между наконечниками.

Коннекторы серии РС (Physically Contact)

Способ подготовки торцевых поверхностей "физический контакт" (Physically Contact - PC) подразумевает фиксацию оптического волокна в алюминиевом наконечнике. Торец определенным образом полируется с целью достижения полного контакта торцевых поверхностей. Однако при полировке волокна происходят негативные изменения поверхностного торцевого слоя в инфракрасном диапазоне (так называемый "инфракрасный слой"), обусловленные механическими изменениями при полировке. Этот фактор ограничивает применение таких коннекторов на высокоскоростных сетях (565 Мбит/с).

Коннекторы серии SРС (Super Physically Contact)

Для улучшения контакта оптического волокна радиус сердечника был сужен до 20 мм, а в качестве материала наконечника использовался более мягкий цирконий. Из-за такого подхода удалось уменьшить скосы торцев при полировке. Возможность изгиба циркония на субмикронном уровне позволила волокну контактировать даже при скосах в сотни микрон без значительного ухудшения параметров. Однако, проблему инфракрасного слоя такая полировка оставляет нерешенной.

Коннекторы серии UPC (Ultra Physically Contact)

Методика полировки торцов UPC (Ultra Physically Contact) характеризуется малыми напряжениями. Полировка осуществляется под контролем сложных и дорогостоящих систем управления. В результате устраняется проблема поверхностного инфракрасного слоя. Параметр отражения значительно улучшен, и такие коннекторы могут применяться в высокоскоростных системах с пропускной способностью 2,5 Гбит/с и выше.

Коннекторы серии APC (Angled Physically Contact)

Наиболее действенным способом снижения уровня энергии отраженного сигнала является полировка торцов оптических волокон под углом 8-12° от перпендикуляра к оси волокна (Angled Physically Contact - АРС). В таком стыке отраженный световой сигнал распространяется под углом большим, чем угол, под которым сигнал вводится в оптическое волокно.

АРС-коннекторы отличаются цветовой маркировкой хвостовиков (зачастую они зеленого цвета), поскольку они не могут использоваться совместно с коннекторами другой полировки.

Следует отметить, что некоторые производители меняют местами наименования Super PC и Ultra PC, на что следует обращать внимание во избежание несоответствия соединений проектным параметрам. Особенно это касается вновь устанавливаемых адаптеров и коннекторов на линиях, где уже используется продукция других производителей.

Вообще, при подключении двух коннекторов через адаптер лучше использовать коннекторы одной серии. При сопряжении коннекторов различных серий (flat, super PC, ultra PC) коэффициент отражения смешанной пары будет хуже. Использование других серий совместно с серией APC вообще недопустимо и может привести к выходу одного или обоих коннекторов из строя.

В следующих статьях мы расскажем об основных типах разъемов, применяемых в волоконно-оптических линиях связи.