Оптические разъемы и неразъемное соединение волокон

Оптические разъемы и неразъемное соединение (сращивание) волокон используются для соединения секций волокна (кабеля). Волоконно-оптический кабель (ВОК) доставляется производителю работ на катушках с намотанным кабелем длиной 1-25 км. Для систем дальней связи, в отличие от сетей в офисе клиента, катушки состоят из сегментов кабеля (строительных длин), которые должны быть соединены вместе для создания рабочей системы. Для этой цели используются либо оптические разъемы, либо сращивание волокон.

Оптический разъем состоит из трех основных частей:

1. Наконечник — ферул.

2. Соединительная розетка.

3. Стягивающая гайка.

Вид типичного оптического разъема в сборке приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Основная структура оптического разъема

Обычно оптический разъем состоит из оболочки, внутри которой расположен керамический наконечник (ферул) с прецизионным продольным концентрическим каналом. Оголенный отрезок волокна вставляется в канал наконечника и удерживается резиной или термоплавким клеем. Выступающий конец волокна затем скалывается и полируется заподлицо (плоское зеркальное полирование). Металлическая оболочка выравнивается и соединяется встык с керамическим наконечником мягкой опрессовкой. Наиболее распространенный внешний диаметр наконечника - 2,5 мм, но в оптических разъемах с малым форм-фактором может использоваться наконечник диаметром 1,25 мм.

На рынке существует большое разнообразие типов оптических разъемов, каждый из них требует своей собственной процедуры сборки. Однако, по крайней мере, два шага этой процедуры являются общими для них всех.

Во-первых, волокно закрепляется в оптическом разъеме с помощью эпоксидной смолы. Этот процесс важен с точки зрения обеспечения надежности оптического разъема. Эпоксидная смола минимизирует температурные перемещения волокна, позволяя осуществлять полировку торца без боязни повредить волокно, кроме того, она предохраняет волокно от воздействия окружающей среды. И, наконец, она допускает очистку торцов от клея на последней стадии. Поэтому очень важно, чтобы эпоксидная смола присутствовала на всей длине отрезка голого волокна, вокруг буфера (там, где волокно входит в оптический разъем), а также вокруг кончика волокна, выступающего из наконечника (рисунок 2).

Рисунок 2 – Применение эпоксидной смолы

Во-вторых, оптоволоконный торец на конце оптического разъема должен быть отполирован. Рекомендуется полирование типа физический контакт (PC). Это означает, что концы волокон будут физически соприкасаться внутри адаптера оптического разъема, как если бы они находились под давлением. Отсутствие полировки типа PC приводит к образованию воздушного зазора между волокнами и увеличению затухания. Описанное, показано на рисунке 3.

Рисунок 3 – Иллюстрация физического контакта (PC) в волоконно- оптическом разъеме.

Неразъемное соединение, или сросток, постоянно соединяет два волокна. Существуют два типа соединений (сростков):

1. Механическое соединение.

2. Сварное соединение.

Самое важное в процедуре формирования неразъемного соединения (или сращивания) - точно выровнять концы двух волокон перед их соединением. Хорошая полировка концов волокон и их очистка также важны при совершении этой процедуры.

Механическое соединение — небольшой участок механически соединенного оптоволокна - сросток длиной 6 см и диаметром 1 см. Этот сросток осуществлен путем точного выравнивания двух концов волокон и их надежного постоянного механического соединения. Сросток закреплен с помощью быстросхватывающего покрытия или клеевой обвязки, или с использованием того и другого. Механические сростки допустимы как для организации постоянного, так и временного соединения. Вносимые потери за счет механического соединения обычно выше, чем сварного соединения, иимеют порядок 0,1 - 0,8 дБ.

Сварное соединение наиболее широко используется для постоянного соединения одномодового волокна. Получение хорошего сварного сростка значительно проще сейчас, учитывая постоянный прогресс сварочного оборудования, процедур и практики сварки, в дополнение к постоянному улучшению контроля за геометрией волокна в процессе производства. В результате, типичный диапазон достигаемых вносимых потерь составляет 0,04 - 0,1 дБ как для одномодовых, так и многомодовых волокон.

Два параметра влияют на качество сварного соединения: вносимые потери сростка и прочность на растяжение.

Следует отметить, что потери на сращивание являются направленными, по отношению к этим переменным (т.е. потери имеют место только, если оптический поток распространяется через сросток в направлении принимающего волокна, имеющего меньшие диаметр и апертуру). Потери на сращивание являются аддитивными, т.е. если сращиваются два многомодовых волокна, демонстрирующие несовпадение как в диаметрах сердцевины, так и в числовых апертурах, то их вклад в эти характерные потери является суммой этих двух потерь.

Рисунок 4 – Характерные потери на сращивание, вызванные несовпадением диаметров волокон и числовых апертур.

Как видно из рисунка 4, фактические потери на сращивание (среднее от потерь по двум направлениям) оказываются практически ненаправленными. Другими словами, потери, зависящие от параметров волокна и рассматриваемые в плане распространения света через сросток, не зависят от того с какой стороны сростка распространяется световой поток). Нужно иметь в виду, что эти потери достаточно малы для тех допусков на несовпадение MFD, которые декларируют производители. Например, эти потери можно оценить в худшем случае на уровне 0,04 дБ дополнительных потерь для волокна, имеющего MFD, равный 9,3±0,5 мкм, в соответствии со спецификацией. Существуют и другие дополнительные факторы, влияющие на механическое сращивание. Они включают расщепление концов волокна, загибание волокна на конце и отражение Френеля.

Рисунок 5 – Характерные потери на сращивание для одномодового волокна, вызванные несовпадением диаметров поля моды.

Существует пять возможных альтернатив выравнивания сердцевины волокон:

1. Мониторинг мощности (светового потока), используя источник и приемник света.

2. Использование для такого мониторинга оптического рефлектометра
(OTDR).

3. Использование техники локального ввода и обнаружения (LID) (светового излучения).

4. Использование техники выравнивания профилей.

5. Пассивное выравнивание V-образных канавок.

Волоконно-оптические элементы ветвления потока, или разветвители:

Комбайнер (combiner) — устройство, обычно имеющее один выходной порт и два или больше входных портов. Он может быть использован для осуществления как однонаправленных, так и двунаправленных операций.

Ститтер (splitter) - устройство, имеющее обычно один входной порт и несколько выходных портов. Он может быть использован для двунаправленной передачи или для распределения потока на два или большее число устройств или конечных пользователей.

Древовидный разветвитель (tree coupler) - устройство, принимающее поток (сигнал) на один вход и распределяющее его несколько выходов и наоборот. Как правило оно используется для распределения сигнала от одного источника ко многим пользователям.

Звездообразный разветвитель (star coupler) - многопортовое устройство имеющее, по крайней мере, два входных порта и два или более выходных портов. Оно может распределять или объединять сигналы с множества входных портов в один выходной порт, или принимать световой сигнал и распределять его на множество выходных портов.

Широкополосный разветвитель (или же разветвитель, нечувствительный к длине волны) - устройство, работающее в двух окнах прозрачности: 1310 и 1550 нм. Соответственно все аналогичные элементы ветвления должны иметь возможность работать в этих двух окнах. Другая желаемая особенность таких элементов ветвления - быть невосприимчивым к изменению рабочих длин волн внутри одного окна. Другими словами, вносимые потери должны быть одинаковы для любой длины волны в одном из окон.

Разветвитель доступа, или ответвитель (tap) — трех или четырехпортовое устройство ответвления для облегчения осуществления функций ввода-вывода обычно с малым уровнем оптической мощности. Его коэффициент ответвления в высшей степени неоднороден. Этот тип устройств может быть использован в гибридных (медь-волокно - HFC) кабельных сетях, для мониторинга статуса линии и для мультиплексоров ввода вывода.

Мулътиплексоры-демультиплексоры с разделением по длине волны — устройства ветвления формально ничем не отличающиеся от разветвителей. Эти устройства распределяют световой сигнал в зависимости от длины волны. Мультиплексор используется для передачи нескольких световых сигналов (каждый на своей длине волны) по одному волокну. Демультиплексор принимает агрегированный световой сигнал, распространяющийся по одному волокну и разделяет его на несколько компонентов в зависимости от длины волны так, что каждая компонента направляется в отдельное волокно.

Компоненты ветвления светового потока находят широкое применение в локальных сетях, где средой передачи является оптоволокно. Разветвители обеспечивают двунаправленную передачу между магистральным ВОК и станцией ЛВС. Разветвители нашли также применение в широкополосных беспроводных радиосетях, называемых локальными системами многоточечного распределения (LMDS). В этих сетях они подключают оптоволоконную магистраль к узлу LMDS, который содержит мультиплексор ввода-вывода, устройство управления доступом и радиотерминалы. Разветвители также широко используются в оптических коммутаторах.

Рисунок 6 – Схематичное изображение сплавного биконического разветвителя.

Рассмотрим рисунок 6. Он показывает, что может произойти, если мы поместим два отрезка оптоволокна, контактирующих бок о бок, в открытый огонь и превратим их сплавной разветвитель с биконический отводами.

Обратите внимание, что в области связи длиной Z сердцевины сжаты и поле «выдавливается в воздушную оболочку».

Внутри каждого волокна существует длинная секция ответвлений, затем однородная секция длины Z, где они сплавляются (свариваются), а затем еще одна секция ответвлений, с направленным обратно по отношению к первой, кросс-соединением двух отдельных волокон.

Эти ответвления достаточно плавные, так что только незначительная часть энергии падающая из любого порта, расположенного слева, отражается назад в любой из портов, расположенных справа. По этой причине указанные устройства часто называют направленными разеетвителями.

Используя эту технологию, можно сделать ряд разветвителей, основанных на том, что уровень мощности, перешедшей из одного волокна в другое, может быть изменен путем изменения следующих параметров: Z – длины области связи, через которую осуществляется взаимодействие двух полей; а – радиуса сердцевины в области связи; Dа - разности радиусов сердцевин в области связи. Созданные на базе этой концепции различные типы разветвителей будут описаны ниже.

Рисунок 7 – Разветвитель на основе многомодового волокна.

Рисунок 8 – Оптический разветвитель на основе одномодового волокна.

Рисунок 9 – Y-переход или разветвитель 1 х 2.

Таблица 1. Параметры передачи для разветвителей/элементов ветвления

Параметры	Все сети
Максимум	Минимум
Вносимые потери (дБ)	4,0 log2 n	неприменимо
Оптическое отражение (дБ)	-40	неприменимо
Диапазон рабочих длин волн (нм)	1580/1360	1480/1260
Потери, зависящие от поляризации (Δ дБ)	0,l(l+log2n)	неприменимо
Направленность (дБ)	неприменимо
Однородность (дБ)	1,0 log2 n	неприменимо

Коэффициент разветвления. Коэффициент разветвления (coupling ratio), или коэффициент расщепления (splitting ratio), определяется как отношение оптической мощности, излучаемой одним выходным портом, к сумме оптических мощностей, излучаемых всеми выходными портами. Коэффициент разветвления измеряется на определенной центральной длине волны. Многомодовые разветвители измеряются с равновесным модовым заполнением.

Типичные избыточные потери. Избыточные потери – это отношение оптической мощности, поступающей на входной порт разветвителя, к общей мощности на выходе любого выходного порта, выраженное в дБ. Типичные избыточные потери – это ожидаемое значение избыточных потерь, измеренное на определенной центральной длине волны. Для многомодовых разветвителей измерения проводятся с равновесным модовым наполнением (EMF).

Избыточные вносимые потери. В оптическом волноводном разветвителе избыточные вносимые потери – это оптические потери, ассоциируемые с той порцией света, которая не излучается из номинально функционирующих портов данного устройства.

Однородность. Однородность является мерой того, насколько выходная мощность равномерно распределена между выходными портами разветвителя. Понятие однородности применяется к разветвителям с номинально равными коэффициентами разветвления и определяется как разность между максимальными и минимальными вносимыми потерями, оцененная на множестве всех выходных портов рассматриваемого разветвителя и выраженная в дБ. Однородность задается типовым значением для полосы пропускания в целом.

Звездообразные разветвители имеют больше четырех портов. Существуют два типа таких разветвителей: звездообразный разветвитель передающего типа и звездообразный разветвитель отражающего типа.

Рисунок 10 – Звездообразный разветвитель передающего типа.

Световой поток, поступающий на один из входных портов звездообразного разветвителя передающего типа, разветвляется на все выходные порты равномерно.

Рисунок 11 – Звездообразный разветвитель отражающего типа.

Существуют направленные ответвители с топологией дерева и ветви с коэффициентом расщепления 1 х N, 2 х 2. Направленность достигается с одним основным портом ввода-вывода и двумя ответвленными портами ввода-вывода. Основное волокно (ствол дерева) может передавать оптическую мощность в двух направлениях. Ответвленные порты при этом являются однонаправленными – оптическая мощность направляется в них к основному или от основного волокна.