Разъемы для оптики
Основные параметры передачи
Ключевые характеристики оптических коннекторов можно разделить на следующие группы: параметры передачи, долговременная стабильность и стойкость к воздействию внешних условий.
Главными параметрами передачи оптических коннекторов являются вносимое затухание и обратное отражение. Эти параметры зависят, главным образом, от таких факторов, как поперечное смещение осей и угла между ними, а также от френелевского отражения оптического сигнала на границе раздела двух оптических сред.
Вносимые потери за счет скосов при полировке
Наибольшее значение для оценки потерь, вносимых разъемным соединением, имеет оптическое затухание. Этот параметр оказывает основное влияние на величину суммарных потерь в оптическом тракте. Величина оптического затухания главным образом зависит от разъюстировки (поперечного отклонения) сердцевин стыкуемых оптических волокон.
Формирование вносимых потерь в коннекторах PC и UPC
Оптический контакт в коннекторах серии APC
Кроме вносимого затухания, важной оптической характеристикой является обратное отражение. Основной источник отраженного сигнала - граница раздела двух сред, например материал оптического волокна и воздуха. Эта составляющая потерь может достигать значительных величин. Кроме того, обратное отражение является непостоянным во времени. Под влиянием внешних воздействий оно в конечном итоге может нарушить стабильность работы системы. Наиболее серьезные проблемы обратное отражение создает для узкополосных лазеров с высокой когерентностью излучения (которые, например, используются в DWDM-системах и в оборудовании для сетей кабельного телевидения).
Вследствие небольшого количества разъемных соединений в тракте требования к величине вносимых ими потерь были несколько снижены по сравнению с требованиями, предъявляемыми, например, к сварным соединениям. Это позволило значительно упростить конструкцию и снизить стоимость изделий, в которых позиционирование стыкуемых волокон ограничивается пассивной поперечной юстировкой.
Технология оконцевания
Производители предлагают различные технологии оконцевания, то есть монтажа коннекторов на оптические волокна.
На определенном этапе (который теперь можно считать первоначальным) предполагалось, что технология создания разъемных соединений будет включать в себя технологические операции по закреплению соединяемых оптических волокон в штекере-заготовке с помощью химического фиксатора. В качестве фиксатора использовался эпоксидный клеи или его аналоги. После закрепления волокно необходимо было сколоть, а затем особым образом отполировать торец разъема с выступающим волокном до достижения требуемых форм торца.
С целью ускорения процесса инсталляции были разработаны технологии без использования эпоксидного клея. Такие технологии используют механическую фиксацию волокна встроенными в коннектор зажимами, термофиксацию клеями-расплавами и т.п. Однако со временем популярность подобных технологий снизилась. Вероятно, причинами этого стала хладотекучесть клеев-расплавов под давлением, вследствие чего оптическое волокно внутри коннектора со временем смещалось вдоль оси, а это влекло за собой ухудшение или потерю физического контакта, и, следовательно, рост вносимых потерь и обратных отражений.
В настоящее время наибольшее распространение получили коннекторы с вмонтированным отрезком оптического волокна в буферном и вторичном покрытиях. Этот отрезок стыкуется с волокном кабеля. Несмотря на то, что вместо одного места стыка получается два, такая технология хорошо зарекомендовала себя на практике. Ее основное достоинство - отсутствие при оконцевании волокон технологической операции полировки торца коннектора, требующей больших затрат времени, а для высокоскоростных сетей - еще и дорогостоящего оборудования шлифовки и контроля. Эти процедуры проводятся в стационарных условиях на предприятии-изготовителе. Подобный подход позволяет производителю практически бесконечно улучшать качество полировки торцов соединяемых волокон, использовать новые технологии, направленные на сокращение потерь и улучшение параметров оптических разъемов, не заставляя при этом покупателя приобретать все более совершенное (и, разумеется, дорогостоящее) оборудование для окончательной подготовки разъемов к работе.
Обеспечение оптического контакта
Технологически сложно добиться получения полностью перпендикулярных торцов с идеальными поверхностями контакта в процессе полировки волокон. Минимизация величины отраженного сигнала требует гарантированного отсутствия воздушного зазора между сердцевинами стыкуемых оптических волокон. Для достижения этого торцы стыкуемых волокон полируются таким образом, чтобы получить сферические поверхности. При стыковке задается продольный прижим волокон, что вызывает упругую деформацию торцов волокон и оптический контакт в области сердцевин соединяемых волокон, при котором воздушный зазор между ними становится минимальным.
Плоские коннекторы (Flat connectors)
Одним из первых решений по подготовке торцевых поверхностей была полировка торца наконечника с укрепленным в нем оптическим волокном перпендикулярно оси волокна. Во избежание непосредственного контакта волокон, который может привести к серьезным повреждениям, - царапинам и сколам, - при таком подходе реализуется углубление около нескольких микрометров (2-3 мкм). Для улучшения характеристик иногда применяется иммерсионный гель, коэффициент преломления которого близок к материалу оптического волокна. Гель заполняет зазор между наконечниками.
Коннекторы серии РС
Способ подготовки торцевых поверхностей под названием "физический контакт" (Physically Contact - PC) предполагает фиксацию оптического волокна в алюминиевом наконечнике. Торец определенным образом полируется с целью достижения полного контакта торцевых поверхностей. Однако при полировке волокна происходят негативные изменения поверхностного торцевого слоя в инфракрасном диапазоне (так называемый "инфракрасный слой"), обусловленные механическими изменениями при полировке. Этот фактор ограничивает применение таких коннекторов на высокоскоростных сетях (565 Мбит/с).
Коннекторы серии SРС (Super Physically Contact)
Для улучшения контакта оптического волокна радиус сердечника был сужен до 20 мм, а в качестве материала наконечника использовался более мягкий цирконий. Благодаря этому подходу снизились такие дефекты полировки, как скосы. Возможность изгиба циркония на субмикронном уровне позволила волокну контактировать даже при скосах в сотни микрон без значительного ухудшения параметров. Однако проблему инфракрасного слоя такая полировка оставляет нерешенной.
Коннекторы серии UPC
Методика полировки торцов UPC (Ultra Physically Contact) характеризуется малыми напряжениями. Полировка осуществляется под контролем сложных и дорогостоящих систем управления. В результате устраняется проблема поверхностного инфракрасного слоя. Параметр отражения значительно улучшен, и такие коннекторы могут применяться в высокоскоростных системах с пропускной способностью 2,5 Гбит/с и выше.
Коннекторы серии APC
Наиболее действенным способом снижения уровня энергии отраженного сигнала является метод полировки торцов оптических волокон под углом 8-12° от перпендикуляра к оси волокна (Angled Physically Contact - АРС). В таком стыке отраженный световой сигнал распространяется под углом большим, чем угол, под которым сигнал вводится в оптическое волокно.
АРС-коннекторы отличаются цветовой маркировкой хвостовиков (как правило, зеленого цвета), поскольку они не могут использоваться совместно с коннекторами другой полировки.
Следует отметить, что некоторые производители меняют местами наименования Super PC и Ultra PC, на что следует обращать внимание во избежание несоответствия соединений проектным параметрам. Особенно это касается вновь устанавливаемых адаптеров и коннекторов на линиях, где уже используется продукция других производителей.
Вообще, при подключении двух коннекторов через адаптер лучше использовать коннекторы одной серии. При сопряжении коннекторов различных серий (flat, super PC, ultra PC) коэффициент отражения смешанной пары будет хуже. Использование других серий совместно с серией APC вообще недопустимо и может привести к выходу одного или обоих коннекторов из строя.
Основные типы разъемов
Коннекторы типа FC
Коннекторы типа FC были разработаны компанией NTT и ориентированы в основном на применение в одномодо-вых линиях дальней связи, специализированных системах и сетях кабельного телевидения. Керамический наконечник диаметром 2,5 мм с выпуклой торцевой поверхностью диаметром 2 мм обеспечивает физический контакт стыкуемых световодов. Наконечник изготавливается со строгими допусками на геометрические параметры, что гарантирует низкий уровень потерь и минимум обратных отражений. Радиус наконечника обеспечивает физический контакт стыкуемых световодов.
Адаптер для FC с аттенюатором
Для фиксации коннектора FC на розетке используется накидная гайка с резьбой М8х0,75. В данной конструкции подпружиненный наконечник жестко не связан с корпусом и хвостовиком, что усложняет и удорожает коннектор, однако такое дополнение окупается повышением надежности.
Коннектор FC с металлической феррулой
Коннекторы типа FC устойчивы к воздействию вибраций и ударов, что позволяет применять их на соответствующих сетях, например, непосредственно на подвижных объектах, а также на сооружениях, расположенных вблизи железных дорог.
Коннекторы типа ST
Коннекторы БТбыли разработаны специалистами компании AT&T в середине 80-х годов. Удачная конструкция этих коннекторов обусловила появление на рынке большого числа их аналогов.
В настоящее время коннекторы ST получили широкое распространение в оптических подсистемах локальных сетей.
Коннекторы ST фиксируются байонетным замком
Керамический наконечник диаметром 2,5 мм, с выпуклой торцевой поверхностью диаметром 2 мм обеспечивает физический контакт стыкуемых световодов. Для защиты торца волокна от повреждений при прокручивании в момент установки применяется боковой ключ, входящий в паз розетки; вилка на розетке фиксируется байонетным замком.
Коннекторы ST просты и надежны в эксплуатации, легко устанавливаются, относительно недороги. Однако простота конструкции имеет и отрицательные стороны: эти коннекторы чувствительны к резким усилиям, прилагаемым к кабелю, а также к значительным вибрационным и ударным нагрузкам, ведь наконечник представляет собой единый узел с корпусом и хвостовиком. Этот недостаток ограничивает применение подобного типа коннекторов на подвижных объектах.
Детали коннекторов ST обычно изготавливаются из цинкового сплава с никелированием, реже из пластмассы.
При сборке коннекторов арамидные нити упрочняющей оплетки кабеля укладываются на поверхность задней части корпуса, после чего надвигается и обжимается металлическая гильза. Такая конструкция позволяет в значительной мере снизить вероятность обрыва волокна при выдергивании коннектора. Для дополнительного увеличения механической прочности соединительных шнуров в коннекторах ряда производителей предусматривается обжим на задней части корпуса не только арамидных нитей, но и внешней оболочки миникабеля.
Активное применение коннекторов ST обусловило поиск вариантов улучшения качественных показателей этой продукции. Таким образом, по мере разработки появились SPS- и UPS-версии коннекторов такого типа.
Коннекторы типа SC
Одним из недостатков коннекторов типов FC и ST считается необходимость вращательного движения при подключении к адаптеру. Для устранения этого недостатка, препятствующего увеличению плотности монтажа на лицевой панели, разработаны коннекторы типа SC. Корпус коннектора SC в поперечном сечении прямоугольный. Наконечник не связан жестко с корпусом и хвостовиком.
При подключении коннектора SC происходит проворачивание наконечника
Подключение и отключение коннектора SC производится линейно (push-pull), что предохраняет наконечники коннекторов от прокручивания друг относительно друга в момент фиксации в адаптере. Фиксирующий механизм открывается только при вытягивании коннектора за корпус. К недостаткам коннекторов SC следует отнести несколько более высокую цену и меньшую механическую прочность относительно рассмотренных ранее коннекторов типов FC и ST. Сила, выдергивающая коннектор SC из адаптера, регламентируется в пределах 40 Н, в то время как для серии FC это значение практически может равняться прочности миникабеля. Как и в случае с коннекторами ST, этот недостаток ограничивает применение коннекторов типа SC на подвижных объектах.
Biconic
Разъемы типа Biconic получили распространение в США благодаря усилиям Lucent Technologies. Корпус коннектора выполняется из пластмассы и может содержать ключ, препятствующий вращательному движению сердечника при вкручивании. Нестандартный подпружиненный керамический сердечник выполнен в форме усечен-ного конуса, а у основания диаметр конуса почти равен внутреннему диаметру корпуса. Такая конструкция на вид обладает большей надежностью, чем ее аналоги. Однако исследования показали, что этот тип коннекторов проигрывает по температурной стабильности характеристик коннекторам с феррулой сложной многослойной конструкции. Кроме того, нестандартная конструкция сердечника усложняла использование таких коннекторов в гибридных разъемах.
Коннектор Biconic требует особого подхода к разработке гибридных адаптеров
В настоящее время коннекторы Biconic полностью уступили свои позиции современным типам коннекторов с сердечником стандартных размеров.
DIN
Традиционно изделия, соответствующие этому стандарту, были широко распространены в Германии и других европейских государствах. Стандартный керамический сердечник диаметром 2,5 мм выступает далеко за пределы корпуса. Пластмассовый корпус снабжен ключом, препятствующим вращению сердечника вокруг своей оси при вкручивании в адаптер.
Коннекторы типа DIN нашли применение в тестовой аппаратуре и телекоммуникационном оборудовании.
D4
Коннекторы D4 также получили распространение в Европе. Основными особенностями их конструкции являются ключ, выступающий за пределы металлического корпуса (нетехнологичная конструкция) и нестандартный керамический сердечник диаметром 2 мм. Для фиксации на розетке коннекторы снабжаются накидной гайкой с резьбой М8х0,75.
Несмотря на указанные недостатки, этот тип коннекторов выпускался довольно долго, и к концу 90-х годов прошлого века уже производились PS-, SPS- и UPS-версии таких коннекторов. Основными производителями коннекторов D4 являются западноевропейские фирмы, однако для производства оборудования, поставляемого европейским операторам, выпуск таких коннекторов налажен и в США.
Е-2000
В коннекторах типа Е-2000 реализована одна из наиболее сложных конструкций. Подключение и отключение коннектора производится линейно (push-pull). Фиксирующий механизм открывается только при вытягивании коннектора за корпус с применением специальной вставки-ключа. Случайное выключение такого коннектора без использования ключа практически невозможно (то есть необходима нагрузка для разрушения защелки корпуса коннектора).
Конструкция E-2000 сводит к минимуму человеческий фактор
Наконечник в коннекторах типа Е-2000 выполняется в виде многослойной феррулы диаметром 2,5 мм. Корпусы коннекторов и адаптеров изготавливаются из прочного полимера. Основное новшество - пластмассовые шторки, выполняющие функцию заглушек при отключении адаптера. Они также служат для предотвращения попадания пыли на плоскость оптического контакта.
Этот тип коннекторов отличается улучшенными оптическими показателями и стабильными температурными характеристиками, а также высокой надежностью (гарантировано не менее 2 тыс. циклов включения-выключения). Сечение корпуса - квадратное, что позволяет легко реализовать дуплексные коннекторы.
Кроме прочего, следует отметить неоспоримое достоинство этой продукции - снижение влияния человеческого фактора. При включении предупреждены: возможность повреждения торцевой поверхности оптического волокна за счет избыточных усилий, направленных на соединение двух коннекторов; недостаточное усилие включения; неверное позиционирование, а также огрехи при очистке поверхностей оптического контакта.
Коннектор разработан и производится компанией Diamond, уделяющей особое внимание качеству продукции. Кроме западноевропейских государств, производственные мощности этой компании расположены и в странах Восточной Европы. Несмотря на высокие оптические показатели и надежность конструкции, ценовой фактор все-таки сдерживает широкомасштабное внедрение Е-2000.
Появление Е-2000 положило начало новому этапу в создании коннекторов для оптических волокон - разработке коннекторов SFF (Small Form Factor), о которых речь пойдет далее.
Разъемы с увеличенной плотностью монтажа
Анализ преимуществ и недостатков коннекторов, разработанных ранее, показал необходимость создания новых типов коннекторов. При тех же рабочих параметрах, что и у своих предшественников, они должны были обеспечивать большую экономию места, чтобы увеличить плотность монтажа на лицевых панелях.
За основу для размеров адаптеров были приняты габариты разъема для металлических токоведущих жил типа RJ-45. Это позволило использовать общие конструктивные решения под установку RJ-45 и оптических коннекторов разрабатываемых конструкций.
Ведущие производители пассивных оптических компонентов включились в разработку коннекторов нового поколения. Из целого перечня моделей наибольшее распространение получили коннекторы типа LC, MT-RJ,VF-45n MU. Ряд производителей пассивных оптических компонентов уже приобрели лицензии на выпуск коннекторов этих типов, и объемы продаж их постоянно растут.
Коннекторы типа LC
Разработчик коннекторов типа LC - американская компания Lucent Technologies - является одним из ведущих производителей телекоммуникационного оборудования, а следовательно и "законодателем мод" в области пассивной оптики. Этому типу разъемов изначально (и, как впоследствии оказалось, вполне обоснованно) отводилась роль лидера продаж как в Соединенных Штатах, так и в Европе.
LC - лидер в сегменте разъемов с увеличенной плотностью монтажа
Конструкция коннектора сравнительно проста: керамический сердечник диаметром 1,25 мм, не связанный с пластмассовым корпусом. Механизм фиксации - защелка (аналогично RJ-45). Потери, по данным производителя, - порядка 0,2 дБ. Пара коннекторов легко объединяется в дуплекс.
Коннекторы типа MT-RJ
Коннекторы MT-RJ разработаны консорциумом производителей в составе AMp Hewlett-Packard, Siecor LIN, Fujikura и USConnec. Эти коннекторы изготавливаются исключительно в виде дуплексных пар и поэтому не могут считаться универсальными. Технологически они сложны в производстве.
Корпус коннекторов содержит пару металлических направляющих, в которые предварительно установлены два оптических волокна. Оптические волокна кабеля подвариваются к предустановленным волокнам. После установки кабель фиксируется поворотом запирающего ключа.
Средняя величина потерь составляет порядка 0,2 дБ.
Коннекторы типа MT-RJ применяются в коммутаторах, концентраторах и маршрутизаторах многими ведущими производителями оборудования.
Коннекторы типа VF-45
Корпорация 3М также не могла не отреагировать на рыночные тенденции относительно внедрения коннекторов SFF. Компания разработала собственную конструкцию - дуплексный коннектор VF-45 для одномодовых и многомодовых волокон - и стала активно продвигать его на рынке. Он также может реализовываться под названием SJ.
В VF-45 вместо наконечников используются V0образные канавки
Этот коннектор выполнен по технологии push-pull - подключение производится линейно. Следует отметить, что в целях эргономичности хвостовик коннектора наклонен под углом примерно в 45° от плоскости соединения волокон, то есть опущен вниз. При этом обеспечивается высокая плотность монтажа - используется панель для монтажа RG-45. Вместо керамических феррул, применяемых большинством производителей, используется V-образная канавка, что удешевляет коннектор в производстве.
Производитель гарантирует качество и стабильность характеристик, основываясь на более чем десятилетнем опыте эксплуатации оптических соединителей, выполненных с применением этой технологии. Коннектор снабжен самозащелкивающейся шторкой для предотвращения попадания пыли на поверхность оптического контакта.
Производитель гарантирует высокие показатели качества: уровень затухания не выше 0,75 дБ, а обратное отражение составляет менее 26 дБ.
Как и коннекторы типа MT-RJ, VF-45 предназначены для использования в телекоммуникационном оборудовании: коммутаторах, концентраторах, маршрутизаторах.
Коннекторы типа MU
Коннекторы этого типа разработаны компанией NTT и производятся рядом других компаний. Они представляют собой уменьшенный приблизительно вдвое аналог SC. Механизм фиксации за счет уменьшения габаритов в коннекторах этого типа может быть менее надежен.
Наконечник и центратор - керамические, диаметром 1,25 мм. Корпус выполнен из пластмассы, детали - полимерные и металлические.
Доля оборудования, выпускаемого с коннекторами типа MU, относительно невелика, однако есть перспективы роста, в первую очередь за счет снижения доли использования в оборудовании коннекторов более ранних разработок.
Предполагается, что коннекторы нового поколения постепенно займут лидирующие позиции на рынке, а затем и вовсе вытеснят своих предшественников, если к этому времени не будут разработаны более совершенные конструкции коннекторов, объединяющих в себе достоинства вышеперечисленных моделей и, вместе с тем, превосходящие их по каким-либо факторам (к примеру, по цене или надежности).
Перспективы для локальных сетей
Сегодня активное применение одномодовых оптических волокон при строительстве локальных сетей определяет необходимость производства многих разъемов как в одномодовом, так и в многомодовом исполнении.
Дальнейшее совершенствование структурированных кабельных сетей возможно с использованием материалов, не применяющихся в настоящее время (например, волокна из полиамида в качестве среды передачи). Это определит необходимость разработки специализированных пассивных оптических компонентов, что выделит решения для локальных сетей в отдельную самостоятельную сферу. В результате невозможно будет использовать существующие ныне конструкции пассивных оптических компонентов (в данном случае оптических разъемов) в качестве универсальных. Вместе с тем появление новых конструктивных решений может стать мощным толчком как для модификации существующих, так и для создания специализированных разъемов новых типов.
Еще один движущий фактор совершенствования разъемов - это разработка более высокоскоростного оборудования систем передачи. Следствием этого станут новые требования к пассивным оптическим компонентам, что также обуславливает необходимость совершенствования существующих и создание новых конструкций оптических разъемов.
Автор: Виктор Каток, Игорь Руденко, Алексей Ковтун
Источник: www.seti.com.ua
|
