Назначение и требования к разъемным и неразъемным соединителям. Волоконно-оптическая система передачи представляет собой каскадное соединение технических устройств (оптических компонент) различного вида и назначения. Одни из них вносят ослабление оптическому сигналу и потому называются пассивными оптическими устройствами другие - усиление или регенерацию оптического сигнала и называются активными оптическими устройствами.
К пассивным оптическим устройствам (ПОУ) относятся:
устройства ввода/вывода, предназначенные для ввода оптического излучения от источника в ОВ и от ОВ в фотоприемник;
оптические соединители (называемые иногда коннекторами), необходимые для оптического соединения двух и более компонентов ВОСП, для подключения измерительных приборов при проведении различных измерений и контроля параметров оборудования без закрытия связи и подразделяются на:
- разъемные соединители, предназначенные для многократного и легкого соединения и разъединения компонентов ВОСП;
- неразъемные соединители, предназначенные для однократного соединения и не допускающие разъединения;
соединительный оптический кабель, пассивный компонент ВОСП, представляющий собой ОК, армированный с двух сторон кабельными частями оптического соединителя;
шнур оптический (называемый иногда патч-корд), представляющий короткий соединительный ОК;
оптический разветвитель (называемый иногда сплиттер) - пассивный оптический многополюсник, в котором оптическое излучение, подаваемое на входные оптические полюса перераспределяются в определенном соотношении на выходные оптические полюса;
оптический ответвитель, представляющий из себя оптический разветвитель с одним входным и двумя выходными оптическими полюсами и предназначенный для ответвления заданной части мощности оптического излучения;
оптический объединитель - пассивный оптический многополюсник, в котором оптическое излучение, подаваемое на входные оптические полюса, суммируются в определенном соотношении на выходные полюса;
спектрально-селективный разветвитель и объединитель - оптический разветвитель, коэффициенты пропускания между оптическими полюсами которого зависят от длины волны в заданном диапазоне длин волн оптического излучения;
оптические мультиплексоры/демультиплексоры, предназначенные для объединения и разделения оптических сигналов, имеющих различные длины волн;
оптические аттенюаторы -ПОУ, предназначенные для уменьшения мощности оптического излучения, причем снижение уровня мощности может быть постоянной (фиксированные аттенюаторы) или изменяемой (переменные аттенюаторы);
оптические изоляторы - ПОУ, пропускающие излучение в одном (рабочем) направлении с малыми потерями, а в другом (обратном) направлении затухание в них на значительно выше и предназначены для защиты источников излучения от нежелательного отражения излучения в ОВ и обеспечения тем самым стабильной генерации, а также снижения шума в них
компенсатор дисперсии - пассивный оптический двухполюсник, в котором компенсируется дисперсия времени распространения оптического излучения по ОВ
циркулятор -ПОУ кольцевой структуры, в котором имеется п -оптических полюсов, обладающие свойством последовательной трансляции оптического сигнала последовательно от одного полюса к другому;
волоконно-оптические фильтры - устройства, пропускающие с минимальным затуханием оптическое излучение определенной длины волны или диапазона длин волн (полоса пропускания) и имеющие максимально возможное затухание для других длин волн или диапазонов длин волн (полоса задерживания).
Основными параметрами для ПОУ являются: вносимое затухание (ослабление); рабочий диапазон длин волн l мин… l макс (или f мин… f макс), где параметры ОПУ не выходят за пределы, установленные нормативно-технической документацией; допустимый уровень мощности, степень согласования ПОУ между собой и другими компонентами оптического тракта. Основными требованиями к ПОУ являются следующие: малые вносимые потери, устойчивость к внешним механическим, климатическим и другим воздействиям; высокая надежность и простота конструкции, исключающая необходимость дополнительной юстировки в процессе эксплуатации.
Устройства вводы/вывода, как отмечено выше, представляют из себя соединители типа источник излучения - оптическое волокно (ИИ - ОВ) и конструируются из условий получения максимальной эффективности ввода h ввоптического излучения, которая равна
, (2.25)
где Р ов - мощность излучения, вводимая в ОВ; Р ии - мощность источника излучения.
Потери при вводе/выводе излучения в ОВ, в разъемных и неразъемных и других ПОУ могут быть оценены и величиной вносимого затухания, под которым понимается соотношение вида
, (2.26)
здесь Р вх - мощность оптического излучения на входе ПОУ и Р вых - мощность оптического излучения на выходе ПОУ. Вносимое затухание обусловлено поглошением, рассеянием и отражением (степенью согласования) оптических волн в месте соединения.
Конструкция устройств ввода/вывода определяется как характеристиками источников и приемников оптического излучения, так и оптического волокна.
Эффективность ввода излучения зависит от диаграммы направленности источника излучения, площади излучения, диаметра сердцевины ОВ, их взаимной апертуры.
Для источников излучения на основе светоизлучающих диодов (СИД) возможен большой разброс яркости и площади излучения (типичные значения 0,2… 5,6 мм2). Для СИД высокой яркости и малой площади излучения возможно непосредственное соединение, как лазерных (инжекционных) диодов (ЛД), к ОВ в стык.
Потери на ввод излучения в многомодовое ОВ приближенно могут быть оценены по формуле
, (2.27)
где 10lg(1/ h) - затухание эффективности ввода, 10lg(1/ r) - затухание отражения и А и - потери на излучение на длине установления стационарного состояния мод, дБм.
Наилучшее и стабильное согласование источника излучения с многомодовым ОВ достигается за счет покрытия поверхности источника излучения четвертьволновым слоем соответствующим подбором его коэффициента преломления.
Проблема создания устройств ввода оптического излучения от лазерных диодов в одномодовое ОВ значительно сложнее. Большое значение имеют методы изготовления высокопрецизионных микрокомпонентов, их юстировка и фиксация в требуемом положении и обеспечении этого положения в процессе эксплуатации. Высокая эффективность достигается за счет применения как дискретных микролинз (сферические линзы, граданы), так и линз, изготовленных непосредственно на торцах ОВ.
Устройства ввода оптического излучения от ОВ в фотодетектор (ОВ - ФД) не представляют особых конструктивных сложностей по сравнению с устройствами ввода ИИ - ОВ, так как числовая апертура (NА) и диаметр рабочей - светочувствительной площади ФД больше, чем соответствующие величины ОВ. У большинства применяемых ФД такие параметры, как чувствительность (квантовый выход), время нарастания и спада фототока, шумовые свойства, дробовый и темновой токи мало отличаются в различных точках фоточувствительной площадки. Поэтому незначительная разъюстировка разъема, как правило, не влияет на параметры устройства ввода/вывода.
Однако процесс стыковки ОВ с ФД сопровождается посторонним излучением и изменением фоточувствительности по активной поверхности фотодиода, которые могут вызвать паразитную модуляцию сигнала и дополнительные шумы.
Эффективность устройств ввода/вывода оптического излучения можно значительно повысить использованием дополнительной оптики (обычно увеличительных линз) между торцом ОВ источником излучения или фотоприемником. Линзы помещаются между торцом ОВ для того, чтобы примерно уравнять эффективное значение апертуры источника и ОВ. Допуская отсутствие потерь в линзах и пространстве между источником и ОВ, линзой и ОВ или ФД и ОВ, можно так подобрать линзу, что теоретически весь поток лучей источника будет сфокусирован на торцах – ОВ или на светочувствительной поверхности ФД.
При использовании линз для снижения потерь ввода возникают проблемы согласования. Если диаметр излучающей поверхности источника излучения сравнительно велик, то диаметр сердцевины ОВ по сравнению с ним необходимо увеличить пропорционально отношению максимальных углов излучения источника и захвата света ОВ. Это отношение обычно составляет величину равную 5. Например, для достижения оптимального ввода с линзой при диаметре излучающей площадки источника 20 мкм минимальный диаметр сердцевины ОВ должен составлять 100 мкм.
Потери на отражение при вводе/выводе можно свести к минимуму использованием эпоксидной смолы с подобранным показателем преломления между излучающей поверхностью источника и линзой, между линзой и ОВ. Используя подходящую линзовую систему и просветляющие покрытия торца ОВ и источника излучения можно достичь потерь устройств ввода/вывода не более 2 дБ.
Одно из возможных устройств ввода оптического излучения является коническое устройство, рис. 2.18.
| Одномодовый оптический конус
|
| Рисунок 2.18 - Устройство ввода излучения
|
При больших диаметрах торцевой поверхности конуса (1…2 мм) могут возникнуть моды высших типов. С целью их исключения между торцом конуса и источником излучения (лазером) вводится фазокорректирующий элемент - сферическая линза. Такое устройство обладает эффективностью ввода порядка 1,6…2,6 дБ.
Оптические соединители - ОС. Из всего многообразия ОС рассмотрим разъемные и неразъемные соединители, предназначенные для соединения двух ОВ. Основные требования к ОС следующие:
- малые вносимые потери, т. е. установка ОС не должна приводить к значительным потерям мощности оптического излучения;
- устойчивость к внешним механическим, климатическим и другим воздействиям, высокая надежность и простота конструкции;
- простота установки, т. е. ОС должны легко и быстро устанавливаться, не требуя дорогостоящего оборудования и длительного обучения технического персонала;
- надежность: ОС должен гарантировать многократное подключение и отключение без изменения вносимых потерь;
- параметры ОС должны соответствовать техническим условиям вне зависимости от времени его установки;
- экономичность: цена ОС и оборудования для их установки должна быть невысокой.
Потери в ОС в основном возникают по следующим причинам:
| Рисунок - 2.19 Потери в оптическом соединители из-за
производственных допусков
|
1. Производственными допусками на воспроизводимость конструктивных параметров ОВ: несовпадение апертуры соединяемых ОВ (рис. 2.19,
а), несовпадения диаметров сердцевины ОВ (рис. 2.19,
б), невыполнения концентричности ОВ (рис. 2.19,
в), эллиптичности сердцевины ОВ (рис. 2.19,
г) и несовпадения диаметров оболочек ОВ (рис. 2.19,
д).
Рис.2.19
Типичные допустимые отклонения (допуски) конструктивных параметров современных ОВ приведены в табл. 2.5
Таблица 2.5
| Параметр
| Допуск
|
| Диаметр сердцевины (62,5 мкм)
| ± 3 мкм
|
| Диаметр оболочки (125 мкм)
| ± 2 мкм
|
| Апертура (0,275)
| ± 0,015
|
| Концентричность
| £ 3 мкм
|
| Эллиптичность сердцевины
| ³ 0,98
|
| Эллиптичность оболочки
| ³ 0,98
|
Потери из-за несовпадения апертуры соединяемых ОВ (рис. 2.19, а) могут быть рассчитаны по формуле
для NA 1 > NA 2
потери из-за несовпадения диаметров сердцевин соединяемых ОВ (рис. 2.19, б) равны
для d 1 > d 2,
где d 1 и d 2 диаметры ОВ1 и ОВ2 соответственно.
Возможны дополнительные потери из-за несовпадения индексов, определяющих профиль показателя преломления
, для g 2 > g 1.
2. Оптические потери, вызванные отражением излучения от торца ОВ из-за несоответствия показателей преломления сердцевины ОВ и среды в зазоре между торцами (френелевские отражение или потери). Эти потери определяются по формуле
,
здесь п 1 и п - показатели преломления сердцевины и среды между торцами ОВ соответственно.
По принципу организации соединения двух ОВ оптические соединители подразделяются на две группы. Первая группа реализуется на основе соединения ОВ с помощью микролинз (например, сферических рис. 2.19). Излучение, выходящее из ОВ, преобразуется сферической линзой Л1 в коллимированный луч и затем с помощью фокусирующей линзы (возможно применение градиентных стержневых - граданов, обеспечивающих потери на поглощение не более 0,05 дБ, или трехмерных линз Л2 вводится в другое ОВ (из одной строительной длины ОК в другую).
| Рисунок 2.19 - Оптический соединитель на основе сферических линз
|
3. Оптические потери в таком соединении (ОВ1 - Л1 - Л2 - ОВ2) определяются оптическими свойствами микролинз, взаимным расположением всех элементов и потерями, указанными выше.
Для обеспечения малости потерь необходимо, чтобы числовая апертура микролинзы была больше числовой апертуры соединяемых ОВ, диаметр фокального пятна был как можно меньше (2… 10 мкм), а оптические потери в материале на заданной длине волны не превышали десятых долей децибела.
4. Потери, определяемые смещением ОВ при их торцевом соединении. При соединении ОВ с одинаковыми номинальными размерами сердцевины, оболочки и одинаковым распределением показателей преломления по радиусу ОВ наиболее эффективным является соединение торец в торец (торцовое соединение). При таком соединении ОВ необходимо обеспечить строгую соосность, т. е. ОВ в соединителе должно размещаться вдоль его центральной оси. Если центральная ось одного ОВ не совпадает с центральной осью другого ОВ. т. е. имеет место радиальное смещение ОВ, сопровождающееся потерями Арс. Коэффициент передачи мощности оптического излучения от одного ОВ к другому в идеальном случае при
отсутствии радиального смещения равен Ки = 1. В случае радиального смещения Крс = 1 - d /d, величина потерь определится по формуле
| Рисунок 2.20 - К потерям радиаль-
ного смещения
|
>
, дБ. На рис. 2.20 показана зависимость этих потерь от соотношения абсолютной величины смещения
d к диаметру
d волокна.
Соединение двух ОВ, разделенных небольшим зазором (рис. 2.21), сопровождается потерями осевого смещения, которые подразделяются на два вида.
Первый - это френелевское отражение, связанное с разницей показателей преломления ОВ и среды зазора (обычно воздуха). Это отражение имеет место как на выходе из ОВ1, так и на входе ОВ2. Френелевские потери составляют около 0,34 дБ и могут быть существенно снижены при использовании в зазоре эпоксидной смолы с выбранным показателем преломления, близким к показателю преломления ОВ.
Второй вид потерь в многомодовых ОВ связан с потерей мод высокого порядка при прохождение излучением зазора и на входе в сердцевину второго ОВ. Свет, выходящий из ОВ1, распространяется в некотором конусе. Величина потерь Аос, связанных с этим эффектом, зависит от величины NA. ОВ с большим значением NA не допускает столь большого зазора между ОВ при том же уровне потерь, что и ОВ с меньшим значение NA. Потери при наличии осевого смещения равны
, дБ,
где q - апертурный угол, d - диаметр ОВ.
| Рисунок 2.21 - К потерям осевого
смещения
|
Сколы обработанных ОВ должны быть перпендикулярны осям ОВ и параллельны друг другу. Потери, представленные на рис. 2.22, связаны с угловым смещением ОВ относительно друг друга. Снова, как и ранее, уровень потерь определяется апертурой
NA оптического волокна. Отметим,
что влияние апертуры NA в данном случае противоположно эффекту наличия зазора между ОВ.
Величина потерь для такого соединителя равна
, дБ,
где j - угол смещения.
Исследования и практика показывают, что наиболее жесткие требования предъявляются к радиальному и угловому смещениям. Наличие зазора между торцами ОВ влияет на дополнительные потери существенно меньше.
| Рисунок 2.21 - К потерям углового
смещения
|
Разъемные соединители - РС. Конструкции РС весьма разнообразны, но условно могут быть сведены к двум типам.
Симметричные штекерные РС (рис. 2.22). В конструкции таких РС
| Рисунок 2.22 - Симметричные разъемные соединители
|
На концах соединяемых волокон монтируют два одинаковых штыря. Гнездо соединителя не содержит оптических деталей (рис. 2.22, а) и служит лишь направляющим устройством, в которое с двух сторон симметрично входят штыри. В гнездо и штыри вставляют заранее подготовленные концы ОВ, зафиксированные в стальных или стеклянных трубках (капиллярах), которые надевают на оболочку ОВ, образуя оптический наконечник. Торцы ОВ тщательно зачищают, шлифуют и полируют. После выполнения операции соединения сопрягаемые поверхности плотно соприкасаются друг с другом, а торцы волокон оказываются разделенными очень небольшим зазором.
Несимметричные штекерные РС (рис. 2.23). Конструкция несимметричного штекерного соединителя состоит из двух частей: вилочной (штыря) и розеточной (гнезда). Все остальные элементы конструкции аналогичны симметричному штекерному РС.
Точность взаимного расположения торцов ОВ обеспечивается сопрягаемыми поверхностями гнезда и штырей. Для фиксации положения вилочной и розеточной частей в обоих типах соединителей используются
| Рис 2.23 - Несимметричный разъ- емный соединитель
|
гайки с накаткой, накручиваемые на поверхность розеточной части, имеющей резьбу (на рис. 2.22 и 2.23 не показано). Средние потери, вносимые такими РС, составляют 0,5…1 дБ, что достигается прецизионной технологией обработки деталей. Недостатком их является необходимость юстировки и ее контроль.
В большинстве соединителей для поддержания ОВ вдоль оптической оси используются специальные наконечники. Широкое применение находят керамические наконечники, позволяющие достичь высокого качества, и наиболее предпочтительны для одномодовых ОВ. Керамика достаточно прочный материал, позволяющий высверлить отверстия под ОВ с высокой точностью. Кроме того, она обладает высокими температурными и механическими свойствами, которые практически не изменяются при изменении внешних условий.
Для наконечников используются два вида керамик: окись алюминия и окись циркония. Недостатком окиси алюминия является его хрупкость и разрушение при незначительных давлениях, кроме того, полировка окиси алюминия достаточно сложна. Окись циркония - более мягкий вид керамики и более устойчив по отношению к механическим воздействиям. Он к тому же достаточно прочен и позволяет выдерживать допуски подобно окиси алюминия,но, в отличие от нее, значительно легче полируется.
Находят применение и пластиковые наконечники, стоимость которых значительно ниже керамических, но они обеспечивают менее качественное соединение. Наконечники из нержавеющей стали имеют промежуточные характеристики. Их популярность объясняется прочностью и меньшей хрупкостью по сравнению с керамикой.
Наиболее популярный размер наконечника равен 2,5 мм в диаметре, что фактически стало стандартом.
Первым соединителем, основанном на 2,5 мм керамическом наконечнике, был соединитель типа. FC (Fiber optic Connector). В этом РС применялись корпуса с резьбой, обеспечивающие надежное соединение даже при наличии вибраций, но неудобное при быстром разъединении. Необходимо несколько раз повернуть резьбовую головку, прежде чем соединение разомкнется или восстановится.
В этих соединителях использовались также головки с проворачиваемыми фиксаторами, что обеспечивало при малом повороте фиксатора обеспечить точное попадание наконечника в одно и то же положение внутри соединителя.
Любой тип FC имеет как одномодовый, так и многомодовый варианты. Многокомпонентная конструкция соединителя FC допускает азимутальное вращение в процессе оконцевания ОВ, что позволяет достигать потерь менее 0,2 дБ. В первых FC соединителях использовали наконечники с плоскими гранями, но позднее стали применять вставки со скругленной внешней поверхностью, что снижает влияние обратного отражения.
| Физические характеристики
|
| Тип соединения
(фиксация0
|
| Байонетная фиксация с ключом
|
| Скругленный торец, физический контакт, плавающий наконечник, конструкция без утягивания ОВ
|
| Скругленный торец, физический контакт, подпружиный наконечник
|
| Оптические характеристики
|
| Сокращения: SMF - одномодовое волокно, MMF - многомодовое волокно, D - диаметр сердцевины SMF (8…10 мкф), FLAT - плоский торец, РС, SPC, UPC - сферический торец, APC - угловой сферический торец.
|
\
Соединитель типа ST используется в первую очередь для одномодовых и многомодовых применений, его моноблочная конструкция (корпус из никелированной латуни) отличается быстрорасчленяемым штырьковым механизмом фиксирования соединения. Он широко используется в локальных сетях, внутренних кабельных системах, тестовом и измерительном оборудовании и т. д.
Соединитель ST -типа производится в нескольких модификациях: с керамической, стальной или пластиковой насадкой. Потери соединения не превышают 0,3 дБ для керамической версии и 0,7 дБ - для пластиковой.
Большое распространение в последнее время получили соединители SC (Subscriber Connector - подключаемый соединитель) - типа, использующие защелкивающийся механизм для соединения. Соединители этого типа предусматривают защиту от случайных механических воздействий и находят применение в современных глобальных телекоммуникационных системах, и составляет заметную конкуренцию соединителям ST -типа в локальных сетях, внутренних кабельных системах и аналогичных областях применения. Рекомендуются для многомодовых и одномодовых ОВ. Одним из положительных качеств соединителя ST -типа является простота конструкции многоволоконных подключений, основанных на много позиционном адаптере или клипсах, объединяющих корпус двух и более вилок.
Малогабаритным вариантом соединителя ST -типа является соединитель LС -типа для одномодовых и многомодовых ОВ, конструкция которого выполнена на пластмассовой основе. Наконечник изготовляется из керамики и имеет диаметр 1,25 мм.
Основные параметры рассмотренных разъемных соединителей приведены в табл. 2.5.
Неразъемные оптические соединители - НРС. Эти соединители обеспечивают минимально возможные оптические потери, так как в них нет френелевских потерь, а также потерь, вызванных неперпендикулярностью, кривизной поверхности или качеством обработки торцов. Они жестко фиксируют друг с другом два ОВ и разделяются на два типа: сварные и сплавленные неразъемные соединители, где сращивание ОВ осуществляется электрической дугойи механические неразъемные соединители, где сращивание ОВ осуществляется методами склеивания.
Сварные соединители позволяют добиваться очень точного, контролируемого компьютером взаимного расположения ОВ, что в свою очередь, определяет их чрезвычайно низкие потери на уровне 0,05 дБ. Поскольку установка таких соединителей сопровождается расплавлением волокон, то полностью исчезает проблема обратного отражения. Основным недостатком сварных неразъемных соединителей является высокая стоимость оборудования. Тем не менее, сварные НРС продолжают широко применяться там, где существуют строгие ограничения на уровни допустимых потерь.
В сварных НРС всегда обеспечивается защита места сварки с помощью лаков или клеев от внешних воздействий. После сварки прочность ОВ снижается приблизительно на 30% в результате термического удара, поэтому в соединителях применяют упрочняющие элементы (металлические и керамические стержни).
Широкое распространение получил электродуговой метод сплавления ОВ сваркой из-за простоты регулирования теплового режима и возможности проведения сплавления в полевых условиях. Эта технология хорошо отработана, обеспечивает потери не более 0,1…0,2 дБ. Ее недостатком является применение открытого огня, что не всегда позволяет использовать эту технологию при изготовлении соединителей в помещениях с повышенными пожаро - и взрывоопасностью, а также возможным нарушением при сплавлении структуры ОВ.
Структура неразъемного соединителя механического типа на основе склеивания представлена на рис. 2.24.
| Рисунок 2.24 - Механический неразъемный
соединитель
|
При изготовлении таких соединителей методом склеивания выполняются те же технологические операции, что и при изготовлении сварных соединителей, но склеивание осуществляется в юстировочном элементе.
На оптические потери в таких неразъемных соединителях влияют только радиальное и угловое смещения. Для многомодовых ОВ со стандартной геометрией склеивание обеспечивает оптические потери в пределах 0,1…0,3 дБ.
Методы плавления и склеивания позволяют смонтировать неразъемный соединитель в любой области применения и обеспечить при этом малые оптические потери и малую чувствительность к внешним воздействиям.
Археология
Биология
Генетика
География
Информатика
История
Логика
Маркетинг
Математика
Менеджмент
Механика
Педагогика
Религия
Социология
Технологии
Физика
Философия
Финансы
Химия
Экология
