Фотон-Экспресс 21, декабрь 2000 г.

Оптические параметры разъёмных оптических соединителей

Основные свойства разъёмных оптических соединителей

Разъёмные оптические соединители являются неотъемлемой частью любой волоконно-оптической линии связи (ВОЛС).

Разъёмные соединители применяются при подключении оптического волокна (ОВ) к источнику и приёмнику оптического излучения, при соединении ОВ между собой.

Назначением оптического соединения ОВ является сверхточная юстировка и фиксация в оптическом соединителе сердцевин соединяемых ОВ, для передачи оптического сигнала из одного ОВ в другое с минимальными потерями оптической мощности.

Конструкция оптического соединителя должна быть простой в использовании, дешёвой и надёжной. Соединение ОВ должно быть эффективно защищено от воздействия пыли и влажности и быть устойчивым к воздействию продольного растягивающего усилия, которое может возникнуть в процессе эксплуатации. Оптический соединитель должен гарантировать многократное соединение/разъединение без каких-либо изменений потерь оптической мощности. Минимальное количество подключений, которое должен обеспечивать разъёмный оптический соединитель составляет 500 раз (IEC 61300-2-2).

Рассмотрим подробнее параметры, которые должен обеспечивать разъёмный оптический соединитель. Эти параметры можно разделить на три группы:

• оптические;
• механические;
• стойкость к воздействию окружающей среды.

Оптические параметры разъёмных оптических соединителей

К оптическим параметрам относятся вносимое затухание и величина обратного отражения.

Затуханием разъёмного оптического соединителя называются потери оптической мощности, которые вносятся им в волоконно-оптическую линию связи.

Потери включения (A), которые возникают при прохождении оптическим сигналом разъёмного соединения, рассчитываются по следующей формуле:

A = - 10 lg (P₁/P₂),

где P₁ -- значение оптической мощности после включения в линию разъёмного оптического соединителя; P₂ -- базовое значение оптической мощности.

Для наиболее распространённых типов соединителей с физическим контактом типичное среднее значение вносимого затухания составляет до 0,2 дБ, а максимальное до 0,4 дБ.

Другим важнейшим оптическим параметром является величина обратного отражения, которое особенно велико в случае, если торцы волокон в разъёмном соединении разделены воздушным зазором. Тогда оптический сигнал отражается от торца ОВ вследствие разности показателей преломления сердцевины ОВ и воздуха. Этот параметр особенно важен для ВОЛС, в которых источником излучения является лазерный диод, так как отражённый сигнал может привести к смещению центральной спектральной линии источника излучения, на которой нормированы его характеристики. Продолжительное воздействие отражённого сигнала в процессе эксплуатации ВОЛС приводит к уменьшению срока службы источника излучения. Кроме того, из-за влияния отражённого сигнала может увеличиться коэффициент ошибок при передаче.

Величина обратного отражения (RL) определяется по формуле:

RL = 10 lg (P₁/P₂),

где P1 - значение оптической мощности, отражённой разъёмным оптическим соединителем; P2 - значение оптической мощности на входе разъёмного оптического соединителя.

Для снижения величины обратного отражения необходимо убрать воздушный зазор между соединяемыми ОВ. Это достигается использованием разъёмных оптических соединителей, обеспечивающих физический контакт между сердцевинами соединяемых ОВ. Для создания физического контакта используется закругление торцов ОВ при полировке с радиусом кривизны 10-25 мм. ОВ соприкасаются только выступающими частями в точке расположения их сердцевин. Плоские прижатые концы ОВ не используются, потому что получить идеально плоские параллельные торцы очень трудно. В маркировке оптических разъёмов сокращение PC (physical contact) указывает на наличие того или иного вида физического контакта ОВ. Существует несколько типов полировки торца ОВ, предусматривающих физический контакт ОВ в разъёмном соединении, каждый из которых соответствует различному уровню обратного отражения оптической мощности:

• нормальная полировка (PC) до -30 дБ;
• суперполировка (super PC) до -40 дБ;
• ультраполировка (ultra PC) до -50 дБ;
• полировка под углом к оптической оси APC (HRL-10) более -70 дБ.

Особо следует остановиться на разъёмных оптических соединителях, имеющих угловой физический контакт (APC). В оптических разъёмах этого типа физический контакт ОВ осуществляется под углом 8°, хотя существуют разъёмные соединители, где используется угол 9°, но они получили значительно меньшее распространение. Угловой контакт позволяет направить отражённое оптическое излучение не назад к источнику, а под углом к оптической оси. Разъёмные оптические соединители с угловым физическим контактом позволяют получить сверхнизкую величину обратного отражения.

Причины возникновения потерь в разъёмных оптических соединениях

На величину вносимого разъёмным соединением затухания влияют различные факторы. Их можно разделить на три основных группы:

1. внутренние -- обусловленные погрешностями при изготовлении ОВ;
2. внешние -- обусловленные погрешностями при изготовлении самого разъёмного оптического соединителя;
3. системные -- связанные с распределением мод в ОВ.

Внутренние факторы

При соединении двух ОВ обычно предполагается, что они идентичны, но на самом деле это не так. В процессе производства неизбежны некоторые отклонения геометрических параметров ОВ от номинальных. Точность геометрических параметров ОВ играет значительную роль как при разъёмном, так и при сварном их соединении. Допустимые отклонения геометрических параметров ОВ от номинальных не должны превышать значений, приведенных в нормативных документах таких международных организаций, как ITU-T и IEC. В таблице 1 представлены величины допустимых отклонений геометрических параметров для одномодовых (ОМ) и многомодовых (ММ) ОВ.

Рассмотрим влияние неидентичности ОВ.

Потери, связанные с рассогласованием апертуры (NA).

Числовая апертура (NA) - это угол между оптической осью ОВ и одной из образующих светового конуса, в пределах которого свет, падающий на торец ОВ, распространяется по закону полного внутреннего отражения. Числовая апертура зависит от показателей преломления сердцевины ОВ (n₁) и его покрытия (n₂) и рассчитывается по формуле:

NA = (n₁² - n₂²)^0,5.

Потери мощности оптического сигнала из-за различия числовых апертур соединяемых ОВ происходят, если числовая апертура передающего ОВ больше числовой апертуры принимающего. Эти потери вычисляются по следующей формуле:

A_NA = 10 lg (NA_приним/NA_перед.)².

Различие диаметров сердцевин ОВ.

Когда диаметр сердцевины передающего ОВ больше диаметра сердцевины принимающего, имеют место потери, так как часть оптической мощности распространяется в покрытии принимающего ОВ. Эти потери определяются по формуле:

A_Ж = 10 lg (Ж_{приним.}/ Ж_перед.)².

В одномодовых ОВ различие диаметров сердцевин приведёт к различию диаметра поля моды.

Диаметр поля моды увеличивается по мере увеличения длины волны. Для одномодового ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления существует простое приближённое выражение, которое описывает взаимосвязь между радиусом поля моды (w_o) и радиусом сердцевины ОВ (a):

w_o » (2,6/V)·a,

где параметр V, называемый нормированной частотой, определяется по формуле:

V = p(2a/l)·NA

Различие диаметров покрытия ОВ.

Типичные отклонения при нанесении первичного покрытия составляют ±2 мкм.

Рис. 1. Влияние неконцентричности сердцевины и оболочки ОВ на затухание в разъёмном оптическом соединителе.

Неконцентричность сердцевины и оболочки ОВ.

Неконцентричность -- это расстояние между центрами сердцевины и покрытия ОВ. Их несовпадение приводит к увеличению затухания в разъёмном соединении (рис. 1).

Некруглость сердцевины и оболочки ОВ.

Эта погрешность изготовления ОВ приводит к тому же эффекту, что и разность диаметров сердцевин.

Рис. 2. Влияние овальности сердцевины на увеличение затухания в разъёмном оптическом соединителе.

На рис. 2 представлено влияние овальности сердцевины на увеличение затухания в разъёме при двух вариантах включения соединителя. В первом случае имеет место полное совпадение овальных сердцевин, а во втором приведена ситуация с наибольшими потерями оптической мощности, к которой может привести овальность сердцевины -- поворот соединяемых ОВ друг относительно друга на 90°. Этот эффект особенно заметен в оптических разъёмных соединителях, которые не имеют направляющих пазов и, следовательно, значение затухания может изменяться при каждом повторном включении в зависимости от положения ОВ.

Описанные выше отклонения в той или иной степени присущи любому ОВ, хотя при изготовлении существует очень жёсткий контроль за геометрическими параметрами. В последние годы технология производства ОВ значительно продвинулась вперёд, что позволяет заметно уменьшить потери в разъёмном оптическом соединителе, связанные с геометрическими параметрами ОВ.

Внешние факторы

Боковое смещение

ОВ в соединителе должно размещаться точно вдоль его центральной оси. Для этого отверстие для размещения ОВ должно быть сделано точно по центру керамического наконечника. Это отверстие должно быть точно такого же диаметра, как и ОВ с точностью ±1 мкм. Потери возникают, если центральная ось одного ОВ не совпадает с центральной осью другого (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость затухания от величины бокового смещения ОВ

Большинство производителей разъёмных оптических соединителей гарантируют значение концентричности центральных осей сердцевины ОВ и керамического наконечника соединителя не хуже 1 мкм.

Зазор между поверхностями соединяемых ОВ.

Наличие воздушного зазора между сколами приводит к увеличению френелевского отражения, связанного с разницей показателей преломления сердцевины ОВ и среды в зазоре (воздуха), и также вызывает увеличение потерь в разъёме. От торца ОВ отражается приблизительно 4% передаваемой оптической мощности. В многомодовых ОВ возникает дополнительное затухание, вызванное потерей мод высшего порядка при прохождении ими воздушного зазора. Величина потерь зависит от значения числовой апертуры соединяемых ОВ (рис. 4). ОВ с большей числовой апертурой более чувствительны к величине зазора по сравнению с ОВ, имеющими меньшее значение NA.

Рис. 4. Зависимость затухания от величины воздушного зазора между ОВ

Большинство современных разъёмных оптических соединителей имеет керамический наконечник, закреплённый на пружине и обеспечивающий физический контакт ОВ с фиксированным прижимающим давлением. Такая конструкция позволяет избавляться от воздушного зазора, достигая физического контакта ОВ без риска их повреждения.

Угловое рассогласование осей.

Сколы соединяемых ОВ должны быть перпендикулярны осям ОВ и параллельны друг другу. Уровень потерь увеличивается с увеличением угла рассогласования. Величина потерь, так же как и в предыдущем случае, зависит от значения числовой апертуры соединяемых ОВ. Только в данном случае её влияние противоположно эффекту, возникающему при зазоре между ОВ, поэтому большее значение NA может в определённой степени скомпенсировать эффект углового рассогласования ориентации осей (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость затухания от угла рассогласования ориентации осей ОВ

При правильном использовании соединителя угловое рассогласование практически исключается, так как при изготовлении оптического соединителя контролируется перпендикулярность поверхности скола по отношению к оси ОВ.

Качество поверхности скола.

Поверхность скола должна быть гладкой, не иметь дефектов типа трещин и царапин. Неровная поверхность торца ОВ разрушает геометрическую картину световых лучей, рассеивает их. Результатом является повышенное затухание в разъёмном соединении.

Заключение

Технические характеристики оптических соединителей различных типов и разных производителей несколько отличаются, но все они лежат в определённых пределах.

В настоящее время в мире стандартизовано более 20 типов разъёмных оптических соединителей. Но на практике администрации связи различных стран останавливают свой выбор лишь на нескольких типах, так как наличие в сети связи соединителей разных типов может привести к сложностям при проведении измерений, вызовет необходимость использования гибридных адаптеров. Это усложнит эксплуатацию ВОЛС.

Авторы предлагают в сетях связи Украины ограничиться использованием разъёмных оптических соединителей типов FC/PC(APC), SC/PC(APC), а также приступить к внедрению соединителей нового поколения типа E2000/PC(APC).

Каток Виктор Борисович, зав. кафедрой ВОЛС Киевского института связи, директор Научно-инженерного центра линейно-кабельных сооружений (НИЦ ЛКС), чл.-корр. Академии Связи Украины, чл.-корр. Инженерной Академии Украины. Область научных интересов: волоконная оптика. Имеет более 220 научных трудов. Гончаров Александр Владимирович,, научный сотрудник НИЦ ЛКС КИС. katok@ukrpack.net