Оптические коннекторы SFF

А. Московченко, директор ООО «ПК «Сонет Интерконнект» (Торговая марка SonLex)

На сегодняшний день Sonlex является единственным российским производителем шнуров с разъемами SFF.
В нашем каталоге продукции Вы можете выбрать необходимые Вам шнуры с разъемами MT-RJ:

Коммутационные шнуры (волокно 50/125)

Коммутационные шнуры (волокно 62,5/125)

Аннотация

Статья посвящена анализу характеристик достаточно новых оптических соединителей LC и MT-RJ. Эта статья адресована самому широкому кругу читателей, интересующихся перспективными оптическими технологиями. Она написана по следующим причинам: во-первых, в области новых миниатюрных соединителей определились явные лидеры, что свидетельствует о достаточно большом накопившемся опыте их использования; во-вторых, стоимость решений на основе миниатюрных соединителей сравнялось со стоимостью стандартных решений; в третьих, мой личный опыт и опыт моих коллег представляется достаточным, чтобы высказываться по данному вопросу.

Введение

Начало XXI века характеризуется динамичным развитием телекоммуникационной индустрии, основанном на возрастающей потребности рынка в предоставлении широкополосных линий связи, уплотнении (миниатюризации) пассивных и активных устройств и повышении качества соединителей. Наиболее критичным требование уплотнения становится в связи с бурным развитием Интернета и частных сетей передачи данных.

На глобальном уровне физической средой передачи Интернет-пакетов является волоконная оптика. При этом Интернет-трафик поддерживается сетями SONET/SDH. На более низком уровне (сеть провайдера, локальная корпоративная сеть) обслуживание Интернет-трафика берут на себя сети Ethernet или ATM. Происходит постоянное наращивание числа SONET/SDH линий, а также количества переключений с этих линий на абонентские. Возрастает скорость передачи данных в локальных сетях, а с ней и требования к качеству оптических соединителей. Все перечисленные приложения требуют миниатюрных оптических соединителей (SFF-соединителей — Small Form Factor) и трансиверов для установки в коммутвционные панели, коммутаторы, серверы, концентраторы.

Для производителей волоконно-оптических соединителей основным заказчиком является телекоммуникационная индустрия, которая получила дополнительный импульс к развитию в конце XX века. Как часто бывает, рост количества приводит в определенный момент к потребности изменения качества. В начале 90-х годов к числу наиболее популярных оптических соединителей относились SC, FC и ST. Каждый из них доминировал в том или ином секторе рынка, обладая теми или иными положительными качествами, но не являясь универсальным. Все они примерно в два раза превосходили по размеру основной «медный» соединитель RJ-45. По количеству инсталляций в мировом масштабе и широте использования лидером являлся и является до настоящего момента коннектор SC. Тем не менее, к концу века требования рынка породили новую волну оптических соединителей. Перед конструкторами стояла технологическая задача создания соединителя, сочетающего в себе:

• миниатюрный размер стандарта RJ-45;
• оптическое качество, соответствующее стандарту Telcordia GR-326-Core;
• эргономичность и удобство пользования потребителями с невысокой квалификацией;
• универсальность (одномодовые (ОМ) и многомодовые (ММ) приложения);
• симплексный и дуплексный варианты;
• цветовую маркировку в зависимости от типа приложения;
• полярность в соответствии с требованиями стандарта EIA/TIA;
• низкую стоимость;
• простоту конструкции и возможность установки в полевых условиях.

Все эти требования возникли из необходимости унификации соединительных коммутационных шнуров (патч-кордов), удешевления активных устройств передачи данных, расширения использования оптических систем в локальных и домашних сетях. До настоящего времени в локальных сетях оптика используется, как правило, только в «вертикальной» проводке и в проводке между зданиями — на самых критичных с точки зрения пропускной способности участках. По-видимому, лучшей иллюстрацией темпов развития оптических приложений в локальных сетях является хронология принятия соответствующих стандартов. В 1995 году IEEE принял стандарт Fast Ethernet 100 Мбит/с, в 1998 — Gigabit Ethernet. В июле 2002 году IEEE ратифицировал стандарт 10 Gigabit Ethernet (10GbE) — первый полностью оптический стандарт Ethernet.

Задача конструирования соединителя нового поколения оказалась достаточно нетривиальной. Было предложено много вариантов, и достаточно долго рынок находился в плену маркетинговых акций, направленных на продвижение того или иного продукта, что мешало разобраться в технических особенностях новых решений. К настоящему времени ситуация значительно прояснилась, и рынок выявил двух лидеров — соединители LC и MT-RJ. Во втором издании стандарта ISO/IEC 11801 (сентябрь 2002 год) соединитель SC остается рекомендованным к использованию на рабочих местах, хотя этот же стандарт рекомендует использовать в коммутационных узлах высокой плотности соединители SFF. В стандарте TIA-568B соединители SFF допускаются к использованию на любом участке сети, включая рабочие места.

Системы соединителей LC и MT-RJ

Обе эти системы достаточно успешно прошли этап технической экспертизы и получили широкую поддержку в среде производителей трансиверов. Конечно, решающее слово от лица инженеров и инсталляторов оптических кабельных систем еще не сказано. Именно они в конечном итоге решают, какой коннектор будет устанавливаться при терминировании кабелей и в оптических кроссах, но задержка такого рода скорее всего связана с консервативностью и осмотрительностью данной группы специалистов.

Соединители LC

Соединитель LC (см. рис. 1) был разработан компанией Lucent technologies. Начало его вывода на рынок — август 1997 года. Соединитель, по замыслу конструкторов, является более качественной, компактной и универсальной альтернативой успешно используемому соединителю SC, для работы как в сетях SONET/SDH, так и в частных сетях высокого технического уровня. Кроме того, соединитель LC относится к разряду наиболее технологичных и, следовательно — недорогих как в производстве, так и в установке, что делает его привлекательным к использованию в сетях бюджетных организаций. Соединитель LC является удачным выбором для локальных сетей, радиус которых редко превосходит 500 метров, но предъявляющих к качеству оптических соединителей требования, принятые в телекоммуникационных приложениях. Стандарт EIA/TIA, описывающий соединитель LC, имеет код EIA/TIA-604-10. LC — единственный соединитель SFF, основанный на стандартной и хорошо проверенной технологии одноволоконных керамических наконечников. Также как соединитель SC, он имеет симплексный и дуплексный варианты.

Соединители MT

Многоволоконный соединитель МТ (см. рис. 2), разработанный компанией NTT, позволяет размещать в прямоугольном пластиковом наконечнике до 12 волокон. Расстояние между волокнами — 250 мкм, а наконечник имеет размер 3х6,4 мм. Соединитель предназначался для изготовления претерминированных кабелей с большим количеством волокон для уменьшения размера сборки соединителей на концах кабеля и облегчения его прокладки. Для таких кабельных сборок предполагалось использовать кабели так называемой ленточной конструкции. Соединитель МТ имеет две модификации — male (папа) и female (мама). Наконечник модификации «папа» имеет направляющие штыри, а «мама» — отверстия, являющиеся ответной частью штырей. Бесспорным достоинством многоволоконных соединителей, к которым также относятся соединители МАС, МР и МРХ, является простота установки, поскольку временные затраты на оконцовывание 12 волокон сравнимы с затратами на установку одного-двух стандартных соединителей, например ST.

Соединители MT-RJ

Соединители MT-RJ — частная модификация соединителей МТ/МТР. Ведущая роль в их разработке принадлежит компаниям АМР и НР. Коммерческий запуск модификации ММ этого соединителя относится к началу 1999 года. Он достаточно быстро и успешно занял ведущую позицию среди SFF-соединителей в оборудовании локальных сетей и нашел широкую поддержку в среде производителей активного оборудования для локальных сетей, использующих в качестве физической среды ММ-волокна. Как видно на рисунке 3, соединитель MT-RJ миниатюрнее соединителя LC, что имеет как свои плюсы, так и минусы. Соединитель MT-RJ сохраняет основную черту соединителя МТ — прямоугольный пластиковый наконечник двух модификаций со штырями и направляющими отверстиями. Основное отличие его в том, что наконечник предназначен для установки только двух волокон с расстояние между осями волокон 0,75 мм. Соединитель описан в стандарте EIA/TIA-604-12.

Сравнительный анализ качества подключения соединителей LC и MT-RJ

На практике используются два вида подключений: подключение соединителя к трансиверу и стыковка соединителей между собой при помощи адаптера. Вопрос о качестве подключения к трансиверу возник не так давно — с принятием стандарта Gigabit Ethernet. Для скоростей 10 Мбит/с и 100 Мбит/с энергетический бюджет линии составлял 10…12 дБ. В случае приложения 1000BASE-SX энергетический бюджет составляет всего 2,5 дБ для ММ-волокна 62,5/125. Для 10 Gigabit Ethernet бюджет равен 2,5 дБ для волокна с полосой 2000 Мгц х км и всего 1,6 дБ для стандартного волокна 62,5/125. Принимая в расчет разрешенные стандартом 0,75 дБ потерь на каждом ММ оптическом соединении, легко понять, что самая простая линия, состоящая из двух патч-кордов и 200 метров кабеля, может иметь бюджет 2,85 дБ, превышающий допустимый для гигабитных скоростей.

Вопрос о подключении к трансиверу подробно исследовался специалистами компании Methode Electronics [1], выпускающей трансиверы LC и MT-RJ. Механизм подключения соединителей LC и MT-RJ к портам активного оборудования существенно отличается. Подключение LC происходит за счет совмещения наконечника соединителя с цилиндрическим гнездом входа/выхода трансивера. В случае соединителя MT-RJ совмещение сразу двух волокон происходит благодаря направляющему действию установленных в интерфейсном гнезде трансивера штырей, входящих при подключении в отверстия соединителя «мама», установленного на патч-корде.

Все геометрические размеры соединителей имеют определенные допуски, соответствующие принятым в волоконной оптике стандартам и спецификациям. В этих документах допуски указываются исходя из современных технологических возможностей, при этом учитывается массовый характер изделия и необходимость сделать его не очень дорогим. Ниже предлагается проанализировать, к каким прямым потерям приводят рассогласования различных геометрических параметров в системах соединения LC и MT-RJ. В рамках данного анализа в случае LC к рассмотрению будут приняты допуски на точность соответствия внутреннего диаметра оптического выхода трансивера и внешнего диаметра керамического наконечника соединителя, а также возможное отклонение оси волокна от центра наконечника. При анализе соединения MT-RJ рассмотрим допуски на диаметры направляющих штырей и отверстий, а также влияние точности расположения волокон относительно центральной точки между штырями. При этом в случае MT-RJ мы сознательно опустим те рассогласования, что свойственны многоволоконным соединителям с плоскими наконечниками, а также те, что связанны с несимметричностью контакта двух волокон. Несимметричность контакта может быть обусловлена неидеально плоской и перпендикулярной направляющим штырям поверхностью наконечника, а также несовмещением поверхности торца какого-либо из волокон с поверхностью наконечника.

Трансивер-LC

На рисунке 4 представлена качественная картина поперечного сечения совмещения наконечника LC с центром приемного гнезда трансивера. По данным компании Methode Electronics, размер приемного гнезда в случае использования ММ-волокна варьируется в пределах 1,2505…1,2535 мм — допуск 3 мкм. Предположим, что допуск на внешний диаметр наконечника составляет также 3 мкм, что является заведомо худшим вариантом. При этом диаметр наконечника варьируется от 1,2475 до 1,2505 мм. Разрешенное спецификацией JIS значение α(греческая альфа) отклонение от концентричности волокна и наконечника — 1,4 мкм. Эффект от несовпадения диаметров наконечника и приемного гнезда (греческая бета) β= 3 мкм. Таким образом, максимальное боковое смещение в данном случае равно 4,4 мкм, что приводит при использовании волокна 50/125 к потерям на выходе из трансивера 0,5 дБ. При использовании волокна 62,5/125 потери составляют 0,4 дБ.

Трансивер-MT-RJ

На рисунке 5 схематично показано соединение MT-RJ. Часть с направляющими штырями соответствует трансиверу, с отверстиями — включаемому коммутационному шнуру. Вид в сечении С-С показан на рисунке 6. Нормальный диаметр направляющих штырей и отверстий — 0,7 мм. Отверстия выполняются в относительно мягком пластике, поэтому сделать их с допуском жестче 3 мкм, сохранив невысокую стоимость изделия, не представляется возможным. Таким образом, в реальности диаметр отверстий — от 0,700 до 0,703 мм. Штыри в случае ММ имеют допуск 2 мкм, а в случае ОМ — 1 мкм. Кроме того, нужно предусмотреть зазор в 1 мкм между максимальным значением диаметра штыря и минимальном диаметром отверстия. При этом разброс между диаметрами этих соединительных элементов в случае ММ составляет 6 мкм, а в случае ОМ — 5 мкм. Остается еще один фактор неточного совмещения — смещение центров волокон относительно центральной точки между штырями. Отверстия диаметром 127 мкм (ММ) или 126 мкм (ОМ) на расстоянии 0,376 мм от центра можно выполнить с точностью 2 мкм (по мнению специалистов — максимально возможная точность при работе с пластиком).

LC-LC

Оценка качества соединения двух разъемов MT-RJ в адаптере принципиально ничем не отличается от проведенного анализа подключения трансивер — MT-RJ. Соединение двух одинаковых LC-соединителей в адаптере происходит благодаря подпружиниванию керамических наконечников в С-образной центрирующей втулке адаптера. Центрирующая втулка изготавливается в случае ММ-приложений из бронзы, а в случае ОМ — из керамики, которая поддается более точной обработке по сравнению с металлами в виду меньшего размера кристаллического зерна. Максимально допустимый внутренний диаметр втулки в нормальном состоянии меньше минимально допустимого внешнего диаметра наконечника. Таким образом центрирующая втулка всегда плотно, без зазора охватывает по крайней мере один из наконечников соединителей, участвующих в соединении. В этом отличие данной ситуации от рассмотренного ранее случая подключения соединителя к трансиверу. На точность центрирования двух наконечников в адаптере влияет только возможное несовпадение их диаметров. При подключении к адаптеру наконечник большего диаметра разжимает С-образную втулку несколько сильнее, чем это сделал бы наконечник меньшего диаметра. У последнего во втулке появляется боковой люфт, что и приводит к боковому смещению наконечников (в случае ММ — на 1,5 мкм, а в случае ОМ — на 0,7 мкм).

Надо еще раз подчеркнуть, что компании Seiko [3] и Molex, а также ряд других компаний для своих ОМ LC-соединителей указывают допуск на внешний диаметр наконечника — 1 мкм. С такой же точностью обрабатываются наконечники стандартных соединителей. LC отличается от стандартных FC и SC в лучшую сторону допуском на концентричность, которая для этого соединителя не превышает 1 мкм.

Если основываться на «пессимистичном» варианте, при котором отклонение наконечника от оси втулки адаптера составляет 0,7 мкм, а отклонение от концентричности — 1,4 мкм, то суммарное боковое смещение составит 1,4 мкм и определит значение вносимых потерь для ОМ волокна на уровне 0,35…0,4 дБ. В «оптимистичном» варианте потери не превысят 0,2 дБ. Уровень прямых потерь 0,35 дБ приведен в стандарте Telcordia GR-326-Core как максимально допустимый. Полученное в «оптимистичном» варианте значение 0,2 дБ существенно лучше диктуемого стандартом. Это значение совпадает с данными спецификаций на характеристики ОМ оптических патч-кордов LC многих производителей, в которых указано среднее значение прямых потерь 0,13 дБ и дисперсия 0,06 дБ [4, 5, 6].

К сожалению, столь подробные данные о ММ LC-соединителях, как впрочем и о FC&SC, производители как правило, не предоставляют, законно считая ММ-приложения менее требовательными к качеству соединения. Поэтому в распоряжении автора есть только «пессимистичный» вариант, основанный на значениях бокового смещения в адаптере и отклонении от концентричности 1,5 мкм и 1,4 мкм соответственно. Суммарный эффект составляет 2,9 мкм, что приводит к прямым потерям 0,26 дБ для волокна 62,5/125 и 0,33 дБ для волокна 50/125.

Заключение

Проведенный анализ дает максимальные значения потерь при подключении соединитель-трансивер и соединитель-соединитель. Конечно, правильнее говорить о средних или типичных значениях и о дисперсии отклонений от средних значений. Но эти данные можно получить либо на основе информации от производителей о характерных отклонениях геометрических параметров наконечников, либо на основе статистики измерений физических характеристик. Производители соединителей как правило ограничиваются указанием допусков. Информация о разбросе параметров внутри допускаемых значений предназначена для служебного пользования внутри компаний. В литературе и Интернете можно найти много информации от производителей оптических шнуров, но она зачастую носит маркетинговый характер и не позволяет разобраться в вопросе. Из нашего анализа, по крайней мере, понятно, какой соединитель лучше в ситуации, когда «все плохо». Надо отдать должное более выгодно смотрящемуся соединителю LC, превосходящему по качеству требования стандарта Telcordia GR-326-Core. соединитель MT-RJ превосходит LC по компактности и стоимости, особенно если принять во внимание стоимость адаптеров. Многомодовый клеевой MT-RJ проще в установке по сравнению с дуплексным LC, но требует специального кабеля.

Вне рамок данной статьи остался вопрос о сравнении обратных потерь обоих соединителей. Данный параметр очень важен для ОМ-применений, особенно аналогового телевидения и гигабитных приложений. Скажем только, что дилемма «какой соединитель лучше с точки зрения обратных потерь» — с плоским наконечником или со сферическим, давно решена в пользу соединителей со сферическим наконечником. Поэтому использование соединителей MT-RJ в ОМ-приложениях должно быть сильно ограничено.

В начале статьи были сформулированы современные требования потребительского рынка. В таблице 1 собраны качественные характеристики обсуждаемых соединителей.

Таблица 1. Основные особенности соединителей LC и MT-RJ

В таблице:

• + — отлично
• ± — хорошо
• - — плохо

В пользу универсальности соединителей LC можно сказать, что выпускаемые трансиверы с LC-интерфейсом охватывают весь диапазон скоростей и приложений, хотя для 10 Мбит/с и 100 Мбит/с чаще используется интерфейс MT-RJ. Трансиверы LC выпускают такие компании, как Methode (MM- и OM-трансиверы, поддерживающие скорости 1…2,125 Мбит/с, а также трансиверы 10 и 100 Мбит/с), Sumitomo Electric Lightwave (622, 1250 и 2400 Мбит/с), IBM (гигабитные трансиверы для Fiber Channel и Ethernet), MRV Communication (OC-3, OC-12, OC-48, Gigabit Ethernet), ExceLight, Luminent, Stratos Lightwave, Agere Systems.

Использование технологии MT-RJ в гигабитных трансиверах ограничивается сложностью их конструкции в виду очень малого расстояния (0,75 мм) между входом и выходом. Столь малое расстояние требует использования специальных технологий, уменьшающих оптические и электрические наводки между каналами. Это приводит к неизбежному удорожанию таких трансиверов. Напротив, соединитель LC рекомендован в стандарте IEEE 1394b для приложений со скоростями от 800 Мбит/с до 3,2 Гбит/с.

Таким образом, хотя автору статьи нравятся оба соединителя, светлых перспектив у LC явно больше. Об этом также свидетельствует его мировая популярность. На данный момент во всем мире работают около 40 миллионов этих соединителей.

Литература:

1. Methode Electronics Engineering Report — SFF Optical Tranceiver. LC vs. MT-RJ. Geometric Comparison.
2. Trewhella J., DeCusatis C., Fox J., Performance Comparison of Small Form Factor Fiber Optic Connectors.
3. Seiko Instruments Inc. Technical Specification ACD-09A6-02 – LCZ-1A Series Single-Mode 1.25 mm Zirconia FERRULE, февраль 2001.
4. Huber&Suhner Product Specification – LC Connector Family.
5. Molex FO Product Catalog 1099B. стр. 52, ноябрь 1999.
6. TYCO Electronics Catalog. Fiber Optics Passive Products.

С автором статьи можно связаться: Тел./факс (095) 745-57-49, ICQ 76850414