Оптические соединители в ВОСП

Свинцов А.Г., эксперт группы ТКС, к.т.н.

Волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) развиваются и качественно, и количественно. Из всех типов ВОСП — магистральных, внутризоновых, местных, локальных и сетей кабельного телевидения — наиболее впечатляющие успехи у магистральных, в которых DWDM-технологии обеспечили терабитные скорости передачи по одному волокну и резкое снижение стоимости передачи бита информации. А благодаря значительному росту строящихся ВОСП и большому сроку службы оптических волокон и кабелей, число эксплуатируемых волоконных систем стремительно увеличивается.

Развитие всех компонентов ВОСП (рис.1) обеспечило высочайшие параметры информационных систем:

• скорости передачи в каждом Х-канале до 40 Гбит/с;
• затухание оптического волокна до 0,18 дБ/км;
• затухание на сварных соединениях до 0,02 дБ.

Рис. 1. Волокно-оптические системы передачи: В — скорость передачи информации; Еr, — вероятность ошибки передачи информации; ВОТ — волоконно-оптический тракт; ОК — оптический кабель; СС — сварные соединения; М — муфта; ОУ — оптический усилитель; Тх — передатчик; Rx — приемник; ОС — оптический соединитель; Шн — оптический шнур; Ш — коммутационный шкаф.

Использование оптических усилителей обеспечило значительное увеличение длин регенерационных участков, диапазон перекрываемого затухания оптического тракта в которых достигает 44 дБ.

Ведущая позиция ВОСП и огромные скорости передачи предъявляют высокие требования к надежности и качеству передачи информации. По одному волокну можно передать весь телефонный трафик планеты (серийное оборудование обеспечивает скорости передачи в несколько Тбит/с), выход из строя такого канала — серьезная проблема. Допустимый уровень вероятности ошибки передачи бита информации в настоящее время не должен превышать величины 10^-12. Все это значительно повысило требования к качеству и надежности всех элементов.

Вместе с тем прогресс в магистральных ВОСП потребовал развития внутризоновых, местных и локальных сетей: трафик DWDM-систем необходимо заполнять.

Бурное развитие магистральных DWDM-систем в 90-х годах прошлого века было обусловлено в первую очередь необходимостью обеспечить лавинообразный рост трафика при разумной экономической эффективности предлагаемых решений. И эту задачу магистральные ВОСП решили.

В настоящее время определяющей является эффективность всей системы передачи информации. А для волоконно-оптических систем, как впрочем и для любых других, работает правило: чем выше загрузка, тем выше эффективность.

Во всяком случае, загрузка системы не должна быть ниже десятков процентов. Поэтому развитие всех составляющих системы и в первую очередь локальных ВОСП, обеспечивающих высокоскоростным трафиком систему, является жизненно необходимым.

При этом успешное развитие локальных сетей в значительной мере связано со снижением стоимости систем и эксплуатационных издержек. Это в полной мере относится ко всем элементам ВОСП.

К оптическим параметрам оптического соединителя относятся вносимое затухание и обратное отражена При этом для разъемных соединителей устанавливаются менее жесткие требования на вносимое затухание, чем для сварных соединений оптических волокон.

Если для последних средние потери на сварном соединении, например, для автоматического сварочного аппарата FSM-40S, составляют 0,02 дБ у одномодовых волокон и 0,01 дБ для многомодовых, то для разъемных соединений те же параметры равны 0,4 и 0,5 дБ соответственно. Это объясняется тем, что, с одной стороны, требования на вносимое затухание для оптических соединителей можно ослабить, а с другой — слишком жесткие требования значительно увеличивают стоимость разъема.

Для магистральных и внутризоновых ВОСП высокие требования на сварные соединения обусловлены большим числом таких соединений (несколько десятков), а для нескольких разъемных соединений их вклад в потери тракта незначителен, поэтому требования по вносимым потерям для разъемов можно снизить.

В локальных же сетях, в первую очередь, обеспечить снижение стоимости всех компонентов и, как правило, имеется большой запас по затуханию из-за небольшой длины волоконного тракта, поэтому требования на вносимое затухание также не жесткие. Все это позволяет ограничиться пассивной поперечной юстировкой соединяемых волокон, тем самым, значительно упростив как сами соединители, так и технологию их производства, монтажа и в конечном счете уменьшить стоимость коммутирующих пассивных изделий.

Кроме вносимого затухания, важнейшим параметром в оптических соединениях является обратное отражение. Во-первых, рассеянный и отраженный сигнал вносит вклад в потери проходящего сигнала. Эта составляющая потерь может достигать значительных величин. Например, френелевское отражение на границе волокно-воздух приводит к отражению 4% (-14 дБ) проходящего сигнала, что соответствует дополнительному затуханию в соединителе 0,35 дБ.

Во-вторых, эта составляющая потерь крайне нестабильна, изменяется при внешних воздействиях и со временем, что может привести к неустойчивой работе ВОСП. Но самые серьезные проблемы отраженный сигнал вызывает в работе источников сигнала ВОСП. Это наиболее существенно для сетей кабельного телевидения, а также в DWDM-системах, где используются узкополосные лазеры с большой длиной когерентности. Рекомендуемое значение обратного отражения не хуже -35 дБ.

От чего зависят два оптических параметра оптических соединителей: вносимое затухание и обратное отражение?

Затухание в первую очередь зависит от поперечной разъюстировки стыкуемых волокон. В современных разъемах в основном используется следующий принцип юстировки: соединяемые волокна фиксируются в прецизионных наконечниках (феррулах), которые в свою очередь вставляются в прецизионную втулку-центратор (рис.2).

Рис. 2. Оптический соединитель.

Благодаря высокой точности изготовления элементов соединителя (наконечников и втулки), а также современной технологии изготовления оптического волокна, обеспечивающей улучшенные геометрические его параметры, в современных соединителях достигается минимальная поперечная разъюстировка стыкуемых волокон и приемлемые вносимые потери.

Для малой величины отраженного сигнала необходимо гарантировать отсутствие воздушного зазора между стыкуемыми сердцевинами волокон. Это обеспечивается сферической формой торцов наконечников с волокнами (рис.3).

Рис. 3. Сферическая форма торцовки наконечника.

При стыковке задается продольный прижим торцов, при этом в районе контакта возникает упругая деформация торцов наконечников и оптический контакт стыкуемых волоконных световодов в области сердцевин, при котором отсутствует воздушный зазор и отраженный сигнал соответственно минимален.

Плоские торцы в современных разъемах не используются, так как получить идеальные плоские торцы, перпендикулярные оптическим осям волокон, практически нереально.

При радиусе сферичности торцов 10~25 мм, силе прижима 10 Н зона упругой деформации имеет диаметр порядка 300 мкм.

Если при этом смещение вершины торцов не превышает 50 мкм, то гарантируется оптический контакт в области сердцевин стыкуемых волокон при заглублении торца волокна не более 50 нм.

«Оптический контакт поверхностей прозрачных тел имеет место при расстоянии между поверхностями порядка радиуса действия молекулярных сил.

Если в О. к. приводятся тела с равными показателями преломления то свет проходит границу их раздела (поверхность О. к.), не меняя своего направления; при этом коэффициент отражения чрезвычайно низок — от 10^-4 до менее чем 10^-7. Как правило, на О. к. легко могут быть посажены чистые, хорошо полированные поверхности» (БСЭ).

Таким образом, сферическая поверхность торцов наконечников и конструкция разъема, обеспечивающая прижим стыкуемых волокон с заданным усилием, гарантируют оптический контакт этих волокон и позволяют значительно снизить отражение в месте стыка.

Величина обратного отражения зависит от качества полировки торцов. Различают следующие варианты полировки торцов:

• нормальная полировка PC (physical contact), обеспечивается обратное отражение до -30 дБ;
• суперполировка SPC, обеспечивается обратное отражение до -40 дБ;
• ультраполировка UPC, обеспечивается обратное отражение до -50 дБ.

Однако наилучшие результаты по обратному отражению достигаются при полировке торцов разъемов под углом к оптической оси (рис. 4) — АРС (Angled Physical Contact).

Рис. 4. Соединитель с угловой полировкой торцов.

АРС-разъемы имеют радиус закругления 5~10 мм. В этом случае рассеянный сигнал при отражении под углом, большим числовой апертуры волокна, не захватывается сердцевиной волокна и не распространяется в обратном направлении. Обычно этот угол равен 8°, и такие разъемы обеспечивают обратное отражение не хуже -70 дБ.

Существенное значение имеет отсутствие отраженного сигнала для АРС-разъемов и в несостыкованном состоянии (обратное отражение от неподключенного АРС-разъема около -40 дБ).

Для разъемов типа PC величина отраженного сигнала для несоединенных наконечников значительная (около -14 дБ), а это может вызвать проблемы для передающей и измерительной аппаратуры, подключенной к волоконному тракту.

Итак:

• мы взяли высокачественные комплектующие — наконечники и втулку-центратор;
• вклеили во внутреннее отверстие наконечников качественное оптическое волокно с минимальными отклонениями геометрических параметров от идеальных;
• обработали торцы наконечников со вкленными волокнами, обеспечив при этом отсутствие микроцарапин на торце волокна;
• состыковали наконечники с заданным поджимом.

В итоге соединение должно иметь хорошие параметры как по вносимому затуханию, так и по обратному отражению.

Следующий вопрос — стабильность параметров.

Нестабильность может возникнуть как от температурных, так и механических воздействий. Стабильность при механических воздействиях определяется в основном конструкцией соединителя.

Температурная стабильность обеспечивается выбором материала наконечника и для керамического феррула, у которого температурный коэффициент расширения (ТКР) близок к ТКР кварца.

Гарантируется стабильность параметров в рабочем диапазоне от -30 до +70° С.

Важна также термостабильность клея для фиксации волокна в наконечнике.

Таким образом, качество оптического соединителя в основном определяется качеством комплектующих и технологией шлифовки торцов наконечников. Однако для надежной работы соединителя необходимо также контролировать такой параметр, как заглубление оптического волокна. Дело в том, что в процессе шлифовки торца наконечника с волокном, волокно как более мягкий материал обрабатывается быстрее и возможно заглубление волокна в наконечник (рис. 5а).

Рис. 5. Заглубление и выступ ОВ.

При заглублении более 50 нм стыковка не гарантирует оптического контакта двух волокон. При обратной ситуации, в случае недостаточной продолжительности шлифовки, волокно может выступать над поверхностью торца наконечника (рис. 5б).

Это упрощает возникновение оптического контакта стыкуемых волокон, но приводит к дополнительным нагрузкам, прикладываем к волокну.

В результате со временем волокно может «продавиться» внутрь наконечника и параметры соединителя резко ухудшатся.

Следовательно, при производстве современных оптических соединителей кроме хорошей надежной конструкции разъема и качественных комплектующих, высокая надежность зависит от технологии производства, которая определяется:

• современным оборудованием, инструментами и специализированными помещениями;
• обученным персоналом, способным освоить и поддерживать тонкие процессы производства соединителей;
• современной системой качества, обеспечивающей оптимальное гарантируемое качество выпускаемой продукции при минимальных издержках.

Что касается измерительного оборудования, то кроме систем контроля оптических параметров и телевизионных микроскопов для оценки качества полировки торцов, обязательным является микроинтерферометр, позволяющий более точно контролировать технологические процессы шлифовки торцов, смещение вершины торца и заглубление оптического волокна.

Статья опубликована в журнале «Вестник связи», №11 2002г.