1.3. Пассивные оптические компоненты.

Пассивные оптические компоненты включают в себя оптические соединители, розетки, шнуры, распределительные панели, кроссовые шкафы, соединительные муфты, оптические разветвители, аттенюаторы, системы спектрального уплотнения и т. д., то есть все, что необходимо для обеспечения передачи оптического сигнала по волоконно-оптическому кабелю от передатчика к приемнику.

По мере роста сложности и увеличения протяженности ВОСП роль пассивных компонентов возрастает. Практически все системы волоконно-оптической связи, реализуемые для магистральных информационных сетей, локальных вычислительных сетей и сетей кабельного телевидения охватывают сразу все многообразие пассивных волоконно-оптических компонентов.

Самым важным вопросом передачи информации по ВОСП является обеспечение надежного соединения оптических волокон. Оптический соединитель – это устройство, предназначенное для соединения различных компонентов волоконно-оптического линейного тракта в местах ввода и вывода излучения. Такими местами являются: оптические соединения оптоэлектронных преобразователей (приемников и передатчиков) с волокном кабеля, соединения отрезков оптического кабеля между собой, а также с другими компонентами. Различают неразъемные и разъемные соединители. Неразъемные соединители используются в местах постоянного монтажа кабельных систем. Основным методом монтажа, обеспечивающим неразъемное соединение, является сварка. Разъемные соединители или коннекторы допускают многократные соединения/разъединения. Промежуточное положение занимают соединения типа механический сплайс.

1.3.1. Разъемные соединители.

Типы конструкций

По конструкции соединители бывают симметричными и несимметричными. При несимметричной конструкции для организации соединения требуется два элемента: соединитель гнездовой и соединитель штеккерный. Оптическое волокно в капиллярной трубке коннектора-штеккера не доходит до торца капилляра, а остается в глубине. Напртив, волокно в гнездовом соединителе выступает наружу. При организации соединения физический контакт волокон происходит внутри наконечника-капилляра, который обеспечивает соосность волокон. Примером несимметричной конструкции является соединитель типа SC.

При симметричной конструкции для организации соединения требуется три элемента: два соединителя и переходная розетка. Главным элементом соединителя является наконечник. Переходная розетка снабжается центрирующим элементом, выполненным в виде трубки с продольным разрезом – должен быть контакт между наконечником и центрирующим элементом розетки. Центрирующий элемент плотно охватывает наконечники и обеспечивает их строгую соосность.

Внешний диаметр наконечника равен 2,5 мм. Наиболее жесткие требования предъявляются к параметрам отверстия (капилляра) наконечника. Оно должно быть достаточно большим, чтобы волокно могло зайти в него, и при этом достаточно малым, чтобы люфт волокна был незначительным. Диаметр отверстия в соответствии со стандартом равен 126+1/-0 мкм для одномодового волокна и 127+2/-0 мкм для многомодового волокна. Наконечники обычно бывают металлические (на основе нержавеющей стали) и керамические (на основе циркония или оксида алюминия). Примером симметричной конструкции является соединитель типа FC.

К соединителям предъявляются следующие основные требования: малые вносимые потери, малое обратное отражение, устойчивость к внешним механическим, климатическим и другим воздействиям, высокая надежность и простота конструкции, незначительное ухудшение характеристик после многократных повторных соединений.

Вносимые потери

Коэффициент передачи оптической мощности D при торцевом соединении определяется как , где и соответственно интенсивности излучения на входе и выходе соединения. Обычно вносимые потери зависят от типа волокна (многомодовое или одномодовое), типов и качества соединителей и составляют от 0,2 до 0,5 дБ. Вносимые потери можно разбить на две категории: внутренние и внешние потери.

Внутренние потери определяются факторами, которые невозможно контролировать (достичь их улучшения при заделке волокна в соединитель), а именно парной вариацией диаметров сердцевин, показателей преломления, числовых апертур, эксцентриситетов сердцевина/оболочка и концентричности сердцевины у волокон с разных сторон. Все эти потери следует учитывать аддитивно. На внутренние потери влияет технология производства волокна, а не конструкция соединителя.

Потери из-за вариации показателей преломления являются следствием френелевского рассеяния и определяются в простейшем случае для волокна со ступенчатым профилем как , дБ, где и - показатели преломления волокон. Эти потери пропадают только при равенстве показателей преломления. Потери при вариации апертур возникают в том случае, если апертура волокна, передающего сигнал , больше апертуры волокна, принимающего сигнал , и определяются как , дБ. При апертурные потери не возникают. Потери при вариации диаметров возникают, когда диаметр передающего волокна меньше диаметра принимающего, и определяются соотношением , дБ, где и - диаметры передающего и принимающего волокон, соответственно. При потери не возникают.

Соединение волокон 62,5/125 и 50/125. В настоящее время существуют два основных широко распространенных стандарта многомодового градиентного волокна. Многомодовое волокно получило наибольшее распространение в локальных сетях. Если свет распространяется из волокна 50/125 в волокно 62,5/125, то потери интенсивности света не происходит. Если же свет переходит из волокна 62,5/125 в волокно 50/125, то только до интенсивности света будет во втором волокне, что соответствуеу потерям 1,94 дБ. Этот факт обычно учитывается при производстве оптических приемопередатчиков – светодиод передатчика рассчитан на волокно меньшего диаметра, а приемник в этом же устройстве на волокно большего диаметра.

Более того, многие сетевые стандарты закладывают большой запас по затуханию. Например, стандарты физического уровня на многомодовое волокно FDDI, Fast Ethernet (100 Base-FX) рассчитаны на максимально допустимое затухание в линии до 11 дБ при максимально допустимом расстоянии 2 км. Если учесть, что потери в кабеле составляют 3 дБ/км, а в соединителе с однотипными волокнами – 0,5 дБ, то один дополнительный переход с 62,5 на 50 мкм, вносящий затухание 2 дБ, не будет критичным даже при максимальной длине кабельного участка.

Соединение многомодового и одномодового волокон. Еще большие внутренние потери (примерно 16 дБ) возникают при сопряжении многомодового и одномодового волокна, когда свет распространяется из первого во второе волокно.

Внешние потери – это потери, которые являются следствием несовершенства как самой конструкции соединителя, так и процесса сборки оптического шнура. Внешние потери зависят от таких факторов как: механическая нестыковка (угловое смещение , радиальное смещение L, осевое смещение S); шероховатости на торце сердцевины; загрязнение участка между торцами волокон рис. 1.9. Некачественная полировка торцов

D

D

Θ

L

а) угловое смещение б) радиальное смещение

D

S в) осевое г) френелевское рассеяние

смещение на неоднородностях

Рис.1.9. Главные причины внешних потерь в соединителе.

волокон, а также трение, возникающее при многократном переключении соединителей, имеющих физический контакт, может привести еще к одному типу потерь – потерь, связанных с рассеянием на микротрещинах.

Обычно суммарные потери в соединителе не превышают 0,3-0,4 дб для одномодового и многомодового волокон. При этом более жесткие требования предъявляются к качеству одномодового соединителя.

Обратное отражение. Контакты типа PC, Super PC, Ultra PC, APC

Рассеяние не только ведет к ослаблению проходящего сигнала, но и увеличивает обратный световой поток. Сильное обратное отражение от стыков соединителей при передаче по одномодовому волокну может взаимодействовать с активной средой одномодового лазерного диода 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 ухудшается качество видеоизображения. При цифровой передаче влияние обратного рассеяния менее критично, однако суммарный эффект обратного рассеяния на стыках нескольких соединителей может быть причиной увеличения коэффициента ошибок приемного устройства.

Обратное отражение является вторым по пагубности фактором после вносимых потерь. Коэффициент обратного отражения R определяется как , а потери на обратном отражении или просто обратные потери b – определяются как , дБ, где - интенсивность отраженного излучения. Знак минус (в отличие от соотношения для вносимых потерь) здесь намеренно отсутствует, чтобы показать, что лучшими характеристиками обладает соединение с более 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 соединяемых волокон. При малых значениях <0,1 вклад френелевского отражения во вносимые потери пренебрежимо мал, однако 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. Дело в том, что при использовании плоской поверхности торцов наиболее вероятно, что торцы обоих наконечников, из-за трудности практического создания весьма близких к нормали поверхностей, будут иметь небольшие отклонения, вполне достаточные для образования зазора между сердцевинами волокон. Так отклонение на угол между плоскостями наконечников приводит к зазору около 1 мкм. При сферической поверхности торцов соприкосновение торцов всегда происходит в окрестности светонесущей сердцевины волокон, рис 1.10.

R

Рис.1.10. Сферическая поверхность – физический контакт РС.

Существуют три градации сферического контакта, отличающиеся качеством технологии изготовления и, вследствие этого уровнем потерь на обратном отражении: РС < -30 дБ; Super PC < - 40 дБ; Ultra PC < - 50 дБ. Радиус кривизны R при РС-соединении может находиться в диапазоне от 15 до 25 мм.

Обратное рассеяние может быть еще больше уменьшено при использовании углового (наклонного) физического контакта (angled PC , APC), когда сферические поверхности торцов закруглены под углом друг к другу. 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 в точке поверхности, где находится сердцевина. Потери на обратном отражении для АРС обычно меньше – 60 дБ, а типичные значения могут быть – 75 дБ.

Радиус кривизны R для АРС может находиться в диапазоне от 5 до 15 мм. Уменьшение этой величины по сравнению с РС объясняется тем, что меньший радиус кривизны обеспечивает большую вариацию угла между наконечниками при сохранении физического контакта.

В широкополосных абонентских сетях кабельного телевидения, а также в высокоскоростных оптических магистралях (2,5 Гбит/с и более) и магистралях со спектральным уплотнением рекомендуется использование стандарта АРС.

Надежность, механические, климатические и другие воздействия.

Обычно соединители рассчитаны на 500 – 1000 переподключений. За это время увеличение вносимых потерь не должно превысить 0,2 дБ. Этого количества подключений при обычной эксплуатации более, чем достаточно. Разъемное соединение считается наиболее слабым звеном в кабельной системе. Сильное напряжение на станционный кабель, идущий к соединителю, или резкие воздействия (на кабель, на соединитель) могут привести к ухудшению технических характеристик соединения или повредить его. Обычно места крепления переходных розеток делаются в закрытых шкафах или коробках. Аккуратная эксплуатация мест кроссирования оптических кабелей увеличивает срок службы соединителей и всей кабельной системы в целом.