СОЕДИНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХВОЛОКОН
Соединениеоптических волокон является наиболее ответственной операцией при монтажекабеля, предопределяющей качество и дальность связи по ВОЛС. Соединение волокони монтаж кабелей производятся как в процессе производства, так и пристроительстве и эксплуатации кабельных линий.
Монтажподразделяется на постоянный (стационарный) и временный (разъемный).
Постоянныймонтаж выполняется на стационарных кабельных линиях, прокладываемых надлительное время, а временный — на мобильных линиях, где приходитсянеоднократно соединять и разъединять строительные длины кабелей.
Соединителиоптических волокон, как правило, представляют собой арматуру, предназначеннуюдля юстировки и фиксации соединяемых волокон, а также для механической защитысростка.
Основнымитребованиями к ним являются:
— простотаконструкции;
— малыепереходные потери;
— устойчивость к внешним механическим и климатическим воздействиям;
— надежность.
Дополнительнок разъемным соединителям предъявляется требование неизменности параметров приповторной стыковке.
Потери,вносимые соединением оптических волокон в тракт передачи кабеля, делятся на двегруппы: внешние и внутренние.
Внешниминазываются потери, связанные с особенностями метода соединения, в том числе, сподготовкой концов волокон, и включающие в себя поперечное смещение сердечника,разнесение торцов, наклон осей, угол наклона торца волокна, френелевскиеотражения.
Внутренниминазываются потери, связанные со свойствами самого волокна и обусловлены,например, вариациями диаметра сердечника, числовой апертуры, профиля показателяпреломления, некруглостями сердечника, неконцентричностью сердечника иоболочки.
Внутренниепотери.Внутренниепотери являются следствием соединения двух неодинаковых волокон, обладающих, восновном, различными диаметрами и числовой апертурой.
Вмногомодовых стекловолокнах внутренние потери зависят от направленияраспространения света (рис. 1).
/>
Рис. 1
Прираспространении света слева-направо потери на стыке равны нулю, при обратномнаправлении распространения света часть его переходит в оболочку 50 мкм волокнаи теряется.
Данные потеризависят от характера распределения оптической мощности по торцу волокна. Приэтом различают однородное распределение мощности, когда она одинакова во всехточках торца волокна, и равновесное распределение, когда мощностьсконцентрирована в центре сердечника световода. В табл. 1 приведены значенияравновесных внутренних потерь на стыке различных многомодовых световодов.
Таблица1Принимающее Потери (дБ) волокно с Передающее волокно с диаметром сердечника (мкм)
с диаметром
сердечника (мкм)
50
(NA=0,20)
50
(NA=0,23)
62,5
(NA=0,275)
85
(NA=0,26)
100
(NA=0,29) 50 (NA=0,20) 0,42 2,1 3,8 5,6 50 (NA=0,23) 1,5 3,1 4,8 62,5 (NA=0,275) 0,96 2,3 85 (NA=0,26) 0,5 0,8 100 (NA=0,29)
В одномодовыхсветоводах внутренние потери не зависят от направления передачи и определяютсятолько несоответствием диаметров поля моды сопрягаемых волокон ( рис. 2).
/>
Рис. 2
Волокно 1 сдиаметром поля моды /> излучает свет в виде конуса суглом /> отторца волокна. Учитывая, что диаметр поля поля волокна обратно пропорционаленуглу приема излучения (/>) волокно 1 излучает свет вбольший конус, чем принимает волокно 2, и часть излучения теряется. И наоборот,при распространении света от волокна 2 к волокну 1 часть света распространяетсявне сердечника волокна 1 и тоже теряется.
Такимобразом, потери из-за различия диаметров поля моды и конусов приема одинаковы вобоих направлениях и рассчитываются по формуле:
/>, дБ.
Значенияравновесных внутренних потерь на стыке наиболее распространенных одномодовыхволокон с несмещенной дисперсией приведены в табл. 2.
Таблица2 Потери (дБ) Волокно 2 Волокно 1 Выровненная оболочка
Вдавленная
оболочка
2/>=10,0 мкм
2/>=9,5 мкм
2/>=8,8 мкм
Выровненная оболочка
2/>=10,0 мкм
2/>=9,5 мкм
0,01
0,01
0,07
0,02
Вдавленная оболочка
2/>=8,8 мкм 0,07 0,02
Внешниепотери.Внешниепотери обусловлены четырьмя основными причинами: радиальное смещение волокон,угловое смещение, осевое смещение и качество торцов. Кроме того, необходимоучитывать деформации сердечника и соответствие между показателями преломленияволокон. Для получения малых потерь на стыке торцов волокон должны находиться втесном физическом контакте друг с другом, или зазор между ними должен бытьзаполнен веществом (иммерсионной жидкостью) в точности соответствующимпоказателям преломления сердечников волокон. На рис. 3 представлены возможныедефекты сопряжения оптических волокон и графики, отражающие количественнуюоценку внешних потерь.
В реальныхсоединениях необходимо учитывать воздействие суммарных, т. е. полных потерь,определение которых зависит от типа сопрягаемых волокон.
Вмногомодовых световодах полные потери на стыке волокон обычно меньше, чем суммаотдельных внутренних и внешних составляющих. Принято считать, что потери настыке многомодовых волокон не зависят от длины волны. В действительности из-занесоответствия внутренних параметров волокон на стыке возникают пульсации(осцилляции) потерь, которые присходят вследствии того, что принимающее волокноне может принять все моды от передающего (рис. 4).
/>
Осцилляциипотерь на стыке возрастают с увеличением длины волны.
/>
/>
/>
/>
Рис. 3
а) — радиальное смещение;
б) — угловое смещение;
в) — осевое смещение;
г) — качество торцов
Кроме того,потери на стыке зависят от относительного положения стыков. Стыки имеюттенденцию влиять на распределение мощности, и поэтому потери на конкретномстыке зависят от потерь на предыдущем (рис. 5).
/>
Если волокноА достаточно длинное, то мощность на его конце имеет равновесное распределение.Осевое смещение на первом стыке вызывает потери части мощности на концераспределения и перераспределяет мощность к внешним краям сердечника второговолокна. Если волокно Б короче, чем требуется для восстановления равновесногораспределения мощности, то осевое смещение на втором стыке вызовет большую, чемна первом стыке потерю мощности.
В одномодовыхволокнах полные потери на стыке практически соответствуют сумме внешних ивнутренних потерь. Более того, такие волокна имеют только одну моду, и поэтомуна их стыке отсутствуют пульсации, которые наблюдались в многомодовых волокнах.При отсутствии отражения потери на стыке монотонно уменьшаются с ростом длиныволны, что обусловлено ростом диаметра поля моды.
Такимобразом, потери на стыке одномодовых волокон проще в анализе, измерении ивоспроизведении, чем на стыке многомодовых волокон.
Если впроцессе соединения оптических волокон присутствует хотя бы одно израссмотренных смещений, то часть оптической мощности отражается от местасоединения. Такое явление получило название Френелевского отражения. Отражениена стыке оптических волокон приведено на рис. 6.
/> а) б)
Рп Рвых Рп R1 R2
Ротр Рвых
Ротр
n1 n2
волокно 1 волокно 2 волокно 1 зазор волокно 2
Рис. 6
Отражение награнице раздела двух сред (рис. 6а) характеризуется параметром R, которыйпредставляет собой отношение мощности отраженной волны к мощности падающейволны, и рассчитывается по формуле:
/>,
где n1и n2 — показатели преломления соответствующих сред.
В результатемощность на выходе волокна уменьшается по сравнению с падающей мощностью. Такиепотери за счет отражения получили название Френелевских потерь, рассчитываемыхпо формуле:
/>
Например,потери на границе волокно-воздух, учитывая, что n1=1,46, a n2=1,составляют 0,15 дБ.
При наличииосевого смещения различают две границы раздела (рис. 6б). Тогда параметр Rрассчитывается по формуле:
/>,
где R1и R2 — параметры отражения на соответствующей границе;
z- шириназазора.
Взаимодействиемногократных отражений приводит к увеличению потерь на стыке, которыерассчитываются по формуле:
/>, дБ.
соединение оптическоеволокно
Соединенияволокон, кроме того, вызывает изменение во времени взаимодействие передаваемыхмод друг с другом, что приводит к флуктуации оптической мощности и появлению,так называемых, межмодовых шумов. Межмодовые шумы проявляются как вмногомодовых, так и в одномодовых волокнах.
Взаимодействиемод, зависящее от времени, происходит вследствие ряда причин: изменение вовремени длины волны излучения и параметров лазеров, характеристик волоконногосветовода.
Модовый шумможно увидеть, заглянув в торец относительно короткого многомодового волокна,возбуждаемого лазером. Различимые темные и светлые пятна — спеклы- являютсяследствием интерференции различных мод. Изменение спекл-картины нанесовершенном стыке приводит к изменению потерь.
Интерференциямод зависит от временных соотношений между модами, поэтому лазерные источникиизлучения, способные сохранять временные свойства своего излучения, создаютбольший межмодовый шум, чем некогерентные источники излучения (светодиоды). Сувеличением длины волоконного световода спекл-картина исчезает, чтоспособствует уменьшению межмодовых шумов.
В идеальныходномодовых световодах межмодовый шум отсутствует. Однако, реальные одномодовыеволокна допускают распространение моды второго порядка, которая возникает настыках сопрягаемых волокон. Благодаря разнице во времени распространенияосновной моды и моды второго порядка происходит интерференция мод и появлениемежмодового шума.
Соединениеволокон. В процессе монтажа оптической магистрали осуществляетсястационарное (неразъемное) соединение отдельных строительных длин кабеля. Привводе оптического кабеля в здание или репиторные пункты для многократногосоединения-разъединения с оптоэлектонным оборудованием применяются разъемныесоединители — коннекторы.
Соединениеоптических волокон осуществляется в следующей последовательности.
1. Подготовкаторцов волокон.
До началасоединения двух волокон требуется некоторая подготовка торцов волокон, котораязаключается в удалении первичного защитного покрытия волокон с последующейзаготовкой гладкого их торца путем скалывания или полировки.
Для удаленияпервичного покрытия с волокна можно использовать химические и механическиеспособы зачистки.
Дляхимической зачистки применяются растворители красок, которые содержат вкачестве активного вещества метилен хлорид. После замачивания концовстекловолокон в емкости с растворителем в течении минуты происходит размягчениепервичного защитного покрытия, которое при незначительных усилиях снимается сволокна. Очищенное волокно вытирается мягкой тканью смоченной спиртом илиацетоном. При заводском способе зачистки в качестве активного вещества ссоответствующими предосторожностями применяют горячую серную кислоту.
Механическаязачистка нашла широкое применение при подготовке торцов волокон в полевыхусловиях. В качестве инструмента применяется аналогичное устройство, которое используетсядля снятия изоляции с медных проводов, но отличающееся большей точностью, чтобыисключить повреждение волокон режущими лезвиями. Очищенное волокно вытираетсясухой мягкой тканью или смоченной спиртом или ацетоном.
Скалываниемназывают подготовку торца волокна с нанесением царапины и последующим разломом.Для нанесения царапины используется, как правило, алмазное лезвие. Посленанесения царапины волокно растягивается, что вызывает рост засечки искалывается. Обе эти операции можно выполнить с помощью специальногоустройства. Зачищенное волокно вставляют в данное устройство, зажимают его,давлением на рычаг царапают волокно, захватывая и растягивая его зажимомломают.
Качествоскола торца волокна зависит от скалывающего устройства и опыта оператора.Плохой скол создает дефекты типа выступа, матовости или волнистости, которыеприводят к потерям на стыке.
Шлифовка иполировка торца волокна производится с помощью разнообразных держателей насухой абразивной бумаге или бумаге, смоченной для отвода тепла водой илиабразивными пастами.
После сколаили полировки подготовленное волокно необходимо обследовать при помощимикроскопа или десятикратной лупы. При наличии неоднородностей требуетсяповторить скалывание или продолжить полировку.
2.Сращивание.
Сращиваниеосуществляется методом сварки или с помощью механического сростка.
Сварка.Сварка является наиболеераспространенным способом соединения волокон. Сварка заключается в местномнагреве границы раздела двух состыкованных и предварительно отцентрированных торцовволокон, в результате которого волокна сплавляются друг с другом. В качествеисточника энергии используется электрическая дуга, возникающая междуэлектродами, пламя газовой горелки или лазер. Наибольшее распространениеполучила электрическая дуга, поскольку она позволяет довольно просторегулировать нагрев и работать в полевых условиях.
Установка длясварки предусматривает следующие операции.
Очищенные исколотые торцы волокон зажимают на позиционных платформах с определеннымзазором, который позволяет их центрировать вручную или автоматически. Послевыравнивания производится округление торцов волокон (предварительноеоплавление) маломощной дугой, выжигая при этом посторонние вещества. Послеэтого увеличивают температуру дуги и нагретые торцы волокон сводят вместе,вдавливая друг в другана определенную длину (длину хода сжатия). Вдавливание (обычно несколькомикрон) предотвращает образование горловины в месте сращивания. Послевдавливания температуру дуги постепенно уменьшают до полного выключения установки.Образовавшийся сросток подвергают проверочным испытаниям, затем восстанавливаютзащитное покрытие и, при необходимости, усиливают.
Качествосварки зависит от расстояния между электродами, времени предварительногооплавления и собственно сварки, тока электрической дуги и длины хода сжатия.
Большинствосовременных сварочных устройств содержат микропроцессоры, которые выполняют всеоперации сварки автоматически. Рассмотрим возможности таких устройств напримере сварочного аппарата фирмы “Sumitomo type 35 SE.
Этот аппаратпозволяет сваривать любые типы волокон в ручном и автоматическом режимах,тестирует волокно перед сваркой, устанавливает оптимальные параметры работы,оценивает качество поверхностей волокон перед сваркой, измеряет потери в местесоединения волокон, и, если это необходимо, дает команду повторить сварку.Кроме этого аппарат защищает место сварки специальной гильзой и проверяет напрочность сварное соединение. Аппарат позволяет сваривать одномодовые иодномодовые стекловолокна с потерями 0,01 дБ, что является превосходнымрезультатом. Однако, аппараты довольно дороги. Тем не менее, предпочтениеотдается именно им, так как, используя их достигаются две цель:
-высокоекачество сварки;
-высокаяскорость работ, что немаловажно пр выполнении ответственных заказов (срочнаяликвидация аварии на магистральной линии связи).
КомпаниейSumitomo Electric Industries разработан сварочный аппарат для одновременногосращивания нескольких волокон оптического кабеля ленточного типа, что позволяетрезко сократить время и расходы на сварку.
Механическиесростки.Под словом механические подразумевают все несварные сростки.Разработано большое разнообразие механических сростков. Но для всех нихтребуются подготовка сростка к соединению (скалывание или полировка торцаволокна) и вещество для выравнивания показателя преломления отдельныхстекловолокон, элементы для центрирования волкон, а также зажимы или клей дляфиксации положения волокон.
Выравнивающимвеществом может служить гель, смазка или клей.
Гельиспользуется как жидкость, которая затвердевая образует устойчивое связывающеевещество. Смазки не затвердевают, поэтому они менее стабильны к окружающимусловиям.
Механическоесращивание подразделяется на активное или пассивное в зависимости от тогопроизводится ли выравнивание волокна для оптимизации потерь или нет.
Примеханическом сращивании отдельных волокон доминируют три технологии:
— четырехстержневые направляющие компании TRW;
— эластомерные сростки компании GTE;
— вращаемыйсросток компании AT&T.
Начиная с 1980 г., компания TRW освоила выпуск механических сросток Optasplice. Основой этой конструкцииявляется направляющие, состоящие из четырех стеклянных стержней, которыеобразуют ромбоидальное отверстие с четырьмя V-образными желобками (рис. 7).
/>/>/>Стеклянные стержни
/>
Оптическое волокно
Рис. 7
Волокнавставляют в отверстие, а пустые пространства заполняют выравнивающим клеем,который затвердевает под действием ультрафиолетового излучения. Поверхнаправляющих надевают защитную трубку из нержавеющей стали.
В 1981 г. компания GTE освоила выпуск механических сростков, основу которых составляют две вставки изэластомерного полистирола (рис. 8).
/>/>/>Эластомерные вставки
/>Стеклянная трубка
Рис. 8
Одна извставок имеет по всей длине V-образный желобок с углом 600, а вторая- плоскую поверхность. Сложенные вставки центрируют и прижимают предварительнозаготовленные волокна. Надетая поверх стеклянная трубка фиксирует сросток.Свободные пространства заполняют затвердевающим клеем.
Точнойподстройки можно добиться во вращаемом механическом сростке компании AT&T,внедренном в 1985 г. (рис. 9).
Децентрированные волокна
Стеклянные втулки
Рис. 9
В этомсростке для подготовки торцов волокон используют полировку. Сросток можно легкоподстраивать путем вращения двух стеклянных втулок, в которые вставляютсяволокна. Втулки закрепляются в треугольных муфтах. После выравнивания волоконсвободные пространства заполняют затвердевающим клеем.
/>
С открытой крышкой С закрытой крышкой
И, наконец, в 1988 г. компания 3М освоила выпуск сростка оптических волокон: Fibrlock (рис.10).
Рис. 10
В этомсростке волокна выравнивают и зажимают в V-образном элементе из алюминиевогосплава. Сжимание производится с помощью пластмассовой крышки. Все рустотызаполняются выравнивающим веществом.
Без активнойподстройки все расмотренные механические сростки обеспечивают величину затуханияпри сращивании одномодовых световодов не более 0,2 дБ. При подстройке потери насростке не превышают 0,05 дБ.
Многоволоконныесоединители целесообразно использовать при сращивании волокон ленточныхкабелей.
ФирмойAT&T разработан быстрый ленточный сросток, который обеспечиваетодновременное соединение 12 волокон в полевых условиях.
Все сростки вленте полируют одновременно, зачищают и укладывают в пазы на гравированнойполимерной подложке. Поверх накладывают гравированную крышку и зажимают пружинами.Через отверстстие в крышке заполняют все пустоты выравнивающим веществом.Средние потреи при сращивании многомодовых волокон составляют менее 0,3 дБ идля одномодовых волокон — 0,5 дБ.
Коннекторы. Оптические коннекторы — это механическое устройство предназначенное для многократных соединений. Ониобеспечивают быстрый способ переконфигурации оборудования, проверки волокон,подсоединения к источникам и приемникам света.
Передустановкой коннектора торец волокна зачищают, а затем скалывают или полируют.Коннекторы в основном создают большие потери, чем сростки, так как в них обычноне используется выравнивающее показатели преломления вещество, и они неподстраиваются.
Коннектор длясоединения одиночных волокон состоит из двух основных частей: штекера и соединителя.
Штекерсостоит из цилиндрической или конической втулки с волоконом внутри капилярногоотверстия, проходящего по центральной оси втулки. Штекер имеет резьбовуюкрышку, которая удерживает штекер и соединитель вместе. Для приложенияконтролируемой нагрузки на границу волокон крышка может иметь пружину, дляпредотвращения поворота штекера внутри соединителя — ключ, для ограниченияминимального радиуса изгибв волокна при вводе в штекер — защитную трубку, дляпредотвращения выдергивания волокна — рукав для снятия деформации.
Существуетпять наиболее распространенных типов коннекторов: SMA, биконический, STконнектор, FS и D4.
КоннекторыSMA (Sub-Miniature type A) применяются для соединения многомодовых световодов.SMA поставляется в двух моделях: 905 и 906. SMA штеккер состоит изцилиндрической втулки (диаметр для соответствующих моделях — 3,2 мм и 3,0 мм) изготовленной из полимера или алюминия, стали, латуни или керамики. В 906 модели длялучшего выравнивания применяется полимерная выравнивающая муфта, котораянадевается на кончик втулки. SMA штекеры подсоединяются к своим соединителямпосредством гайки с резьбой. Давление на стыке зависит от того, насколько тугозавернута гайка, что предопределяет величину потерь на стыке.
Биконическиеконнекторы. Выпускаются компанией AT&T и используются для соединения какмногомодовых, так и одномодовых световодов. Втулка такого коннектора имеетформу усеченного конуса, а соединяющая муфта имеет два соответствующихвнутренних сужения, отчего коннектор получил название биконический. Суженияобеспечивают легкость вставки штекера и незначительное истирание втулки имуфты, что придает ему большую долговечность по сравнению с остальными четырьмятипами коннекторов. Втулку и муфту биконических коннекторов изготавливают изполимера или нержавеющей стали. Торцы волокон только полируются. Пружина,расположенная в штекере гарантирует контролируемую продольную нагрузку,действующую на муфту, независимо от силы завинчивания. Для предотвращениявращения втулки в муфте в штекере установлен ключ, который выравнивается спазом на втулке.
ST коннекторвыпускается компанией AT&T, представляет собой высококачественныймалогабаритный соединитель, который нашел применение для стыковки какмногомодовых, так и одномодовых световодов. Штекер ST коннектора состоит изцилиндрической втулки, изготовленной из полимера или нержавеющей стали,диаметром 2,5 мм. Втулки выравниваются разъединительной муфтой с поперечнымсечением, напоминающим сечение поршневого кольца в бензиновых двигателях. Этимдостигается равномерное распределение в муфте радиальной силы, котораядействует на вставляемую втулку. Как и в биконических коннекторах в STконнекторах муфта мягко расположена в корпусе соединителя. Наличие ключа ипружины, контролирующей силу на конце втулки, уменьшают вероятность поврежденияволокон. В отличие от других четырех типов коннекторов ST коннектор имеет нерезьбовую крышку, а защелкивающийся байонетный механизм. Поворот крышки на 450завершает соединение.
FC коннекторразработан японской компанией NTT и обеспечивает высококачественное соединениекак многомодовых, так и одномодовых световодов. Коннектор имеет втулку диаметом 2,5 мм, которая изготавливается из керамики, нержавеющей стали или композитаиз оболочки из нержавеющей стали и керамической внутренности. Зачищенноеволокно вставляется в отверстие в центре втулки, закрепляется и полируется. Каки ST коннектор FC коннектор имеет разъединительную муфту, мягко расположенную вкорпусе соединителя, подпружиненную втулку и ключ.
Аналогичныйпо устройству коннектору FC, коннектор D4 разработан японской компанией NEC дляиспользования в многомодовых и одномодовых световодах. Из большого разнообразиямноговолоконных коннекторов необходимо дуплексные коннекторы, которыепредназначены для одновременного подсоединения двух волокон кприемопередатчику. В этих коннекторах используются те же втулки и муфты, что ив одиночных коннекторах, только они располагаются в специальном корпусе.