7.4. Внешние потери

Внешние потери обусловлены четырьмя основными причинами: радиальным, угловым, осевым смещениями волокон и качеством торцов. Кроме того, необходимо учитывать деформации сердечника и соответствие между показателями преломления волокон.

Волокно в соединителе должно размещаться вдоль его центральной оси. Если центральная ось одного волокна не совпадает с центральной осью другого, то неизбежно появляются потери за счет радиального смещения. На рисунке 7.7 представлена зависимость этих потерь от отношения абсолютной величины смещения к диаметру сердечника волокна.  

Если задаться относительным смещением в 10 %, то для волокна диаметром 50 мкм и числовой апертуре NA = 0,5 это означает, что реальное смещение составляет 5 мкм, а уровень потерь – 0,5 дБ. Для того же волокна, но числовой апертурой NA = 0,15, величина потерь составляет 0,2 дБ в каждом соединении. В реальных условиях стремятся ограничить смещение до уровня менее 5% от диаметра сердечника волокна.

Рисунок 7.7 - Потери при соединении оптических волокон за счет радиального смещения

На рисунке 7.8 представлена зависимость потерь от отношения абсолютной величины зазора между соединяемыми волокнами к диаметру волокна.

 

Рисунок 7.8 - Потери при соединении оптических волокон за счет осевого смещения

  Соединение двух волокон, разделенных небольшим зазором (осевое смещение), подвержено двум видам потерь. Первый вид обусловлен действием френелевского отражения, которое связано с разницей показателей преломления волокон и среды в зазоре (обычно воздуха).

Отражение на стыке оптических волокон приведено на рисунке 7.9.

 

Рисунок 7.9 - Френелевское отражение: а – при отсутствии воздушного зазора; б – при наличии воздушного зазора

  Отражение на границе раздела двух сред (рис. 7.9, а) характеризуется параметром R, который представляет собой отношение мощности отраженной волны к мощности падающей волны и рассчитывается по формуле

,

где n₁ и n₂ – показатели преломления соответствующих сред.

В результате мощность на выходе волокна уменьшается по сравнению с падающей мощностью. Френелевские потери рассчитываются по формуле

 

  Например, потери на границе волокно–воздух, при условии, что n₁ = 1,46; n₂ = 1, составляют 0,15 дБ.

При наличии осевого смещения различают две границы раздела (рис.7. 9, б). Тогда параметр R рассчитывается по формуле

,

  где R₁ и R₂ – параметры отражения на соответствующей границе; z – ширина зазора.

Взаимодействие многократных отражений приводит к увеличению потерь на стыке, которые рассчитываются по формуле

, дБ.

  Для получения малых потерь на стыке торцы волокон должны находиться в тесном физическом контакте друг с другом или зазор между ними должен быть заполнен веществом (иммерсионной жидкостью), в точности соответствующим показателям преломления сердечников.

В большинстве неразъемных соединителей сопрягаемые волокна действительно устанавливают вплотную. В разъемных соединителях иногда нужен небольшой зазор для предотвращения появления царапин на сколе при подключениях. Волокна, прижатые друг к другу с большим усилием, при подключении соединителя могут даже потрескаться. Поэтому некоторые соединители сконструированы таким образом, чтобы обеспечивать небольшой зазор между волокнами, в других используется фиксированное прижимающее давление для мягкого контакта волокон, исключающее появление повреждений.

Второй вид потерь проявляется в многомодовых световодах и связан с потерей мод высокого порядка при прохождении светом воздушного зазора, так как выходящий из первого волокна световой поток распространяется в некотором конусе. Данный вид потерь зависит от величины числовой апертуры. Волокна с большим значением NA имеют большие потери при соединении.

Сколы обработанных волокон должны быть перпендикулярны их осям и параллельны друг другу при соединении. Потери, связанные с угловым рассогласованием ориентации волокон относительно друг друга (угловое смещение), приведены на рисунке 7.10.  

Рисунок 7.10 - Потери при соединении волокон за счет углового смещения

  Уровень потерь в этом случае также определяется величиной числовой апертуры NA, но проявляется данная зависимость противоположно эффекту наличия зазора между волокнами. Здесь бóльшее значение NA вызывает меньшие потери при соединении.

При правильном использовании соединителя угловое смещение практически исключается, так что связанные с этим эффектом потери существенно меньше потерь, обусловленных радиальным смещением. Дело в том, что при скалывании волокна и полировке стекла контролируется перпендикулярность поверхности по отношению к оси волокна.

Поверхность торцов сопрягаемых волокон должна быть гладкой и не содержать дефекты типа трещин, выбоин и заусениц. Неровная поверхность разрушает геометрическую картину световых лучей и рассеивает их, что затрудняет ввод лучей во второе волокно.

В реальных соединениях необходимо учитывать воздействие суммарных, т. е. полных потерь, определение которых зависит от типа сопрягаемых волокон.

В многомодовых световодах полные потери на стыке волокон обычно меньше, чем сумма отдельных внутренних и внешних составляющих. Принято считать, что потери на стыке многомодовых волокон не зависят от длины волны. В действительности из-за несоответствия внутренних параметров волокон на стыке возникают пульсации (осцилляции) потерь, которые происходят вследствие того, что принимающее волокно не может принять все моды от передающего (рис. 7.11).

Рисунок 7.11 - Зависимость потерь на стыке многомодовых оптических волокон от длины волны

  Осцилляции потерь на стыке возрастают с увеличением длины волны. Кроме того, потери при соединении оптических волокон зависят от относительного положения стыков. Стыки имеют тенденцию влиять на распределение мощности, и поэтому потери на конкретном стыке зависят от потерь на предыдущем (рис. 7.12).

 

Рисунок 7.12 - Распределение мощности оптического излучения на стыках соединяемых волокон

  Если волокно А достаточно длинное, то мощность на его конце имеет равновесное распределение. Осевое смещение на первом стыке вызывает потери части мощности на конце распределения и перераспределяет мощность к внешним краям сердечника второго волокна. Если волокно Б короче, чем требуется для восстановления равновесного распределения мощности, то осевое смещение на втором стыке вызовет бóльшую, чем на первом стыке, потерю мощности.

В одномодовых волокнах полные потери на стыке практически соответствуют сумме внешних и внутренних потерь. Более того, такие волокна имеют только одну моду, и поэтому на их стыке отсутствуют пульсации, которые наблюдались в многомодовых волокнах. При отсутствии отражения потери на стыке монотонно уменьшаются с ростом длины волны, что обусловлено ростом диаметра поля моды. Таким образом, потери на стыке одномодовых волокон проще в анализе, измерении и воспроизведении, чем на стыке многомодовых волокон.

Соединения волокон, кроме того, вызывают изменения во времени взаимодействия передаваемых мод друг с другом, что приводит к флуктуации оптической мощности и появлению так называемых межмодовых шумов. Межмодовые шумы проявляются как в многомодовых, так и в одномодовых волокнах.

Взаимодействие мод, зависящее от времени, происходит вследствие ряда причин: изменения во времени длины волны излучения и параметров лазеров, характеристик волоконного световода.

Модовый шум можно обнаружить, заглянув в торец относительно короткого многомодового волокна, возбуждаемого лазером. Различимые темные и светлые пятна (спеклы) являются следствием интерференции различных мод. Изменение спекл-картины на несовершенном стыке приводит к изменению потерь.

Интерференция мод зависит от временных соотношений между модами, поэтому лазерные источники излучения, способные сохранять временные свойства своего излучения, создают больший межмодовый шум, чем некогерентные источники излучения (светодиоды). С увеличением длины волоконного световода спекл-картина исчезает, что способствует уменьшению межмодовых шумов.

В идеальных одномодовых световодах межмодовый шум отсутствует. Однако реальные одномодовые волокна допускают распространение моды второго порядка, которая возникает на стыках сопрягаемых волокон. Благодаря разнице во времени распространения основной моды и моды второго порядка происходит интерференция мод и появление межмодового шума.

Контакты типа PC, Super PC, Ultra PC, APC

Рассеяние не только ведет к ослаблению проходящего сигнала, но и увеличивает обратный световой поток. Обратное отражение, как правило, начинает сказываться в оптических линиях широкополосной цифровой передачи, широкополосной аналоговой передачи, или в магистральных линиях с большим числом разъемных сопряжении. Для построения таких линий, в основном, используется одномодовое волокно. Сильное обратное отражение от стыков соединителей может взаимодействовать с активной средой лазерного передатчика и, в конечном итоге, приводить к ненужным дополнительным световым сигналам.

В абонентских широковещательных сетях кабельного телевидения, использующих широкополосные (до 1 ГГц) аналоговые оптические передатчики, такая обратная связь приводит к паразитной интерференции передаваемых сигналов, в результате чего, например, ухудшается качество видеоизображения. При цифровой передаче обратное рассеяние менее критично, однако суммарный эффект обратного рассеяния на нескольких стыках соединителей может быть причиной потери битовой информации на приемном устройстве.

Обратно отражение является вторым по пагубности фактором после вносимых потерь. Коэффициент обратного отражения R определяется как

R=P_r/P_in,

а потери на обратном отражении или просто обратные потери b - определяются как

b = 10lgR = 10lg(P_r /Р_in) [дБ],

где Р_r - интенсивность отраженного излучения. Знак минус (в отличии от соотношения для вносимых потерь) здесь намеренно отсутствует, что ведет к отрицательным значениям для обратных потерь. Лучшими характеристиками обладает соединение с низкими вносимыми потерями (ближе к 0 дБ) и более низкими (более отрицательными) обратными потерями.

Основным фактором, вносящим вклад в обратное отражение, является френелевское отражение вследствие зазора S (обычно воздушного) между торцами волокон. Зависимость френелевского отражения от величины зазора приведена в таблице 7.4.

Таблица 7.4 – Зависимость характеристик отражения от величины зазора между соединяемыми волокнами

При малых значениях S/λ, (S/λ<0,1) вклад френелевского отражения во вносимые потери пренебрежимо мал, тем не менее именно френелевское отражение является главным фактором обратных потерь.

Значительное уменьшение зазора достигается при сферической поверхности торцов, что позволяет обеспечить физический контакт (physical contact, PC) волокон. Плоская поверхность торцов не используется потому, что на практике создание очень близких к нормали поверхностей затруднительно. Более вероятно, что торцы обоих наконечников будут иметь небольшие отклонения, но вполне достаточные, чтобы образовался зазор между сердцевинами волокон, рис. 7.13, а. Так, отклонение на угол ϕ = 0,05° между плоскостями наконечников приводит к зазору около 1 мкм (диаметр наконечника 2,5 мм). При сферической поверхности торцов соприкосновение всегда происходит в окрестности светонесущей сердцевины волокон, рис.7.13, б.

Существуют три градации физического контакта, отличающиеся уровнем потерь на обратном отражении: PC < -3 дБ; SuperPC < -40 дБ; UltraPC < -50 дБ.

Из табл. 7.4 можно оценить, какие зазоры соответствуют этим градациям.

Радиус кривизны R при PC-соединении может находиться в диапазоне от 15 до 25 мм. Причиной различных значений является не технология процесса полировки, а разные требования, предъявляемые к разным конструкциям и элементам соединителей (например, к керамическим и металлическим наконечникам).

Обратное рассеяние может быть еще больше уменьшено при использовании углового (наклонного) физического контакта (angled PC, APC), рис. 7.13, в. При наклонном торце даже в том случае, когда нет физического контакта, сильный отраженный сигнал не распространяется обратно по сердцевине волокна, а попадает в оболочку. Угол наклона θ наконечника определяется как угол между осью световодной сердцевины и нормалью к плоскости, касательной точке поверхности, где находится сердцевина, рис.7.13, в. Потери на обратном отражении для APC обычно меньше -60 дБ, а типичные значения могут быть -75 дБ.

Рисунок 7.13 – Типы контактов соединителей

а) плоская поверхность; б) сферическая поверхность – физический контакт (РС); в) наклонная сферическая поверхность – угловой физический контакт (АРС)

Радиус кривизны R для APC может находиться в диапазоне от 5 до 15 мм. Уменьшение радиусов кривизны по сравнению с PC объясняется тем, что меньший радиус кривизны обеспечивает большую вариацию угла ∆θ = θ₁ - θ₂ между наконечниками при сохранении физического контакта. При использовании ступенчатого одномодового волокна угол наклона θ составляет 8⁰, что приводит к потерям на обратное отражение в районе -70 дБ. Что касается волокна со смещенной дисперсией, то оно имеет большие числовые апертуры по сравнению со ступенчатым. Поэтому при использовании одномодового волокна со смещенной дисперсией для того, чтобы обеспечить такие же низкие потери на обратном отражении, угол наклона делают больше - стандартизировано значение 12⁰.

Из-за более сложной процедуры изготовления стандарт APC не получил еще достаточного распространения. Однако в широкополосных абонентских сетях HFC, а также в ультраскоростных оптических магистралях (до 1 Гбит/с и более) рекомендуется использование стандарта APC.

К росту обратного отражения ведет большое количество микротрещин на торцевой поверхности волокна. Уменьшать их количество можно, выбирая оптимальную технологию полировки поверхности наконечника.

Стандарты соединителей

Номенклатура стандартных соединителей достаточно велика, однако наиболее широкое распространение получили соединители типов: SC, ST и FC.

Соединитель SC, дизайн которого принадлежит японской фирме NTT, считается самым перспективным, и применяется во всех отраслях, связанных с ВОЛС. Прямоугольная форма внешней конструкции с малыми размерами обеспечивают высокую компактность соединителя SC. Конструкция - защелка с фиксатором (push-pull) - обеспечивает простое подключение и большую концентрацию соединителей на оптических панелях. Соединитель SC выпускается как на многомодовое (mm), так и на одномодовое (sm) волокно. Есть версия SC - полярный соединитель Duplex SC, и, соответственно, розетка Duplex SC (на 2 волокна).

Соединитель ST появился раньше, чем SC. Его основная область применения - сети передачи данных, в особенности локальные сети. Соединители ST изготовляются как на многомодовое, так и на одномодовое волокно. Наибольшую популярность получил стандарт ST mm (Ethernet). Он стандартизован для физического уровня Ethernet с интерфейсом на многомодовое волокно (10Вазе-FL). Соединители ST имеют круглое поперечное сечение, с подпружиненным наконечником и байонетным типом фиксации с ключом. Основные характеристики стандарта ST приведены в таблице.

Резьбовой соединитель FC был разработан в начале 80-х годов. Он имеет наконечник такого же диаметра, как SC и ST (2,5 мм). Преимущественно используется с одномодовым волокном. Его оптические характеристики такие же, как у SC. К сожалению, закручивание гайки при подключении делает его менее удобным, чем SC, и не позволяет ему иметь дуплексный аналог. По этой же причине соединитель FC не такой компактный, как SC. Основные характеристики стандарта FC приведены в таблице.

Оптические шнуры

Оптический шнур - это оптический миникабель, оконцованный с обеих сторон разъемами (могут быть одинакового типа, или разного). Основная функция оптического шнура - обеспечение соединения: между разными активными сетевыми устройствами; между сетевым устройством и оптическим распределительным узлом; внутри оптического соединительного узла или кросса (внутренняя кросс-коммутация).

Сварные соединения волокон

Сварка (fusion splicing) оптических волокон основана на их точном центрировании, после чего волокна свариваются друг с другом при помощи дугового разряда между электродами. Центрирование волокон либо автоматическое, либо в V-образном пазу.

Наиболее распространенный метод автоматического центрирования, основан на так называемой системе РАS, когда основное место сращивания волокон освещается сбоку при помощи зеркал с двух сторон. При этом на экране, находящемся на противоположной стороне от места сращивания, появляется изображение, определяемое профилем преломления оптического волокна, по которому прибор может установить положение сердцевины волокна.

Более простой в использовании метод центрирования в V-образном пазу (V-groove) требует высокого качества геометрии волокна для обеспечения приемлемых характеристик сварного соединения (рисунок).

Рисунок - Влияние геометрии волокна на качество сварки методом V-groove:

а) при разбросе значений диаметров оболочки волокна;

б) при отклонении концентричности сердцевина/оболочка от нормы;

в) при неоднородностях оболочки.

Три геометрические характеристики волокна влияют на качество сварки

− разброс значений диаметров оболочки волокна (cladding diameter distribution);

− концентричность сердцевина/оболочка (core/clad concentricity);

− неоднородности оболочки волокна (fiber curl) - утолщения или полости.

Приемлемым для метода V-groove является значение диаметра оболочки 125,0±1,0 мкм. Такое же отклонение в 1,0 мкм допустимо для концентричности сердцевина/оболочка, хотя и обсуждается вопрос уменьшить это значение до 0,8 мкм.

Неоднородность оболочки обычно проявляется реже и только на определенных участках волокна. Для волокон, изготовляемых ведущими фирмами-производителями, влияние этого фактора меньше, чем двух предыдущих.

Отметим, что влияние отклонения от идеальной геометрии волокна по трем перечисленным характеристикам практически не ухудшает качества сварки при использовании процедуры автоматического центрирования, поскольку центрирование контролируется положением сердцевин волокон. После сварки оголенное волокно должно быть механически защищено, для чего чаще всего используют термоусаживающиеся защитные гильзы (также используется термин КДЗС комплект для защиты стыка). Термоусадка этих гильз происходит в предназначенной для этой цели специальной печи, которая обычно является одним из узлов сварочного аппарата.

Места сварки защищаются герметичными муфтами. Если же сварные соединения находятся в закрытом помещении, то они размещаются в специальных боксах. Сварка создает неразрывное соединение и поэтому обеспечивает наилучшие характеристики по вносимым и обратным потерям по сравнению с разъемным соединением или механическим сплайсом.

Количественные оценки качества сварки

Качество сварки определяется: вносимыми потерями и натяжным усилием. Обратные потери при сварном соединении пренебрежимо малы (< -70 дБ), так как главный фактор обратных потерь, свойственный разъемным соединениям - воздушный зазор - отсутствует. Вклад в обратные потери дает френелевское рассеяние, связанное с разницей в показателях преломления волокон. Однако поставляемое одномодовое волокно имеет очень высокую стабильность показателя преломления ∆n/n < 0,001. Кроме этого, скачок в показателях преломления сглаживается благодаря диффузии, протекающей во время сварки.

Вносимые потери, как и потери при организации разъемного соединения, подразделяются на внутренние и внешние потери.

Внутренние потери. Для многомодового градиентного волокна внутренние, или воло-конно-зависимые потери, определяются парным различием числовых апертур, эксцентриситетов, диаметров (концентричностей) и показателей преломления у сращиваемых волокон. Некоторые сварочные аппараты осуществляют выравнивание по осям сердцевин, и, таким образом, ослабляют фактор наличия разности эксцентриситетов. Но невозможно устранить потери из-за скачка диаметров и числовых апертур. Эти потери зависят от направления и возникают, когда свет переходит из волокна с большим диаметром в волокно с меньшим или из волокна с большей апертурой в волокно с меньшей апертурой. Потери носят аддитивный характер в том смысле, что если, например, сращиваемые многомодовые волокна имеют отклонения как в диаметрах, так и в числовых апертурах, то вклад во внутренние потери будет представлен суммой отдельных потерь из-за отклонения в диаметрах и отклонения в числовых апертурах. Теоретические оценки вклада во внутренние потери двух основных факторов (разницы диаметров и разницы апертур) приведены на рисунке.

Для одномодового ступенчатого волокна доминирующим фактором внутренних потерь является различие в диаметрах модовых полей. Ведущие фирмы-производители оптического волокна выпускают одномодовое волокно с достаточно высокой стабильностью діаметра модового поля (9,3 ± 0,5 мкм). В этом случае потери составляют не болем 0,04 дБ.

Внешние потери возникают из-за несовершенства процесса сварки. Они включают осевое, угловое отклонение, загрязнение и деформацию сердцевин волокон. Влияние этих факторов может быть уменьшено благодаря индивидуальному мастерству и опыту специалиста, выполняющего сварку, или благодаря качеству автоматического сближения и выравнивания волокон и циклам дуговой сварки при использовании современных сварочных аппаратов-автоматов.

Натяжное усилие, необходимое для разъединения сваренных волокон, также характеризует качество сварки. Чем выше значение разрывного усилия, тем выше качество сварки. Естественно, нет смысла разрывать готовое соединение, но можно делать контрольные измерения, тем самым определяя, насколько качественно может быть выполнена сварка для данных типов волокон. Причиной разрыва является повышенная концентрация и большие размеры микротрещин на поверхности в окрестности места сварки.

Затраты, связанные с различными технологиями сварки, хотя и варьируются в зависимости от метода сварки, опыта специалистов и других факторов, считаются относительно высокими. Но несмотря на это, сварка остается самой распространенной и самой надежной технологией сведения волокон: при одновременном монтаже сразу нескольких волокон, при одиночной сварке с использовании как активной, так и пассивной систем осевого выравнивания.

Рисунок - Внутренние потери при сварке: а) из-за разности диаметров и числовых апертур волокон; б) обусловленные различием в диаметрах модовых полей

Наиболее распространены автоматизированные сварочные аппараты для одноволоконной сварки фирм Fujikura - FSM-30S и Sumitomo Electric Industries - Type-35SE, SWIFT.