Качественные оптоволоконные соединения начинаются с наконечника (ферулы) коннектора

Качество оптического соединения напрямую зависит от используемого при сборке коннектора наконечника (ферулы).

Многое способно повлиять на надежность и производительность оптоволоконного соединения. На общую производительность вашего соединения могут отрицательно влиять разнообразные факторы, начиная с качества используемого оптоволоконного кабеля и заканчивая целостностью самого соединителя. Зачастую качество соединения можно определить по используемому при сборке соединителя наконечнику. Во всем мире по разным стандартам производится большое количество разнообразных соединителей. Как при этом можно быть полностью уверенным в том, что используешь? Поэтому лучше всего начинать оценку с ферулы – одного из первых компонентов, определяющих качество соединения и его функциональные возможности.

Наконечники соединителей изготавливаются из различных материалов. Это может быть пластик, сталь или керамика. Большинство наконечников, как правило, изготавливается из циркониевой керамики, долговечного материала, который хорошо себя зарекомендовал в производстве и позволяет изготавливать наконечники в соответствии со строгими допусками эксплуатационных стандартов. Керамические наконечники изготавливаются с немного отличающимися диаметрами отверстий (внутренними диаметрами). Диаметр внутреннего отверстия наконечника может быть немного больше или немного меньше внешнего диаметра оптического волокна. Такое отклонение размера отверстия призвано обеспечить соответствие возникающим при производстве незначительным изменениям диаметра оболочки оптического волокна. Например, для оптического волокна диаметром 125 мкм доступны наконечники с размерами отверстия от 124 до 127 мкм.

При изготовлении соединителя оптическое волокно, как правило, закрепляется в наконечнике с помощью эпоксидного клея. При этом его конец немного выступает за торцевую поверхность наконечника. Позже для точной посадки кончик оптического волокна обрезается и полируется заподлицо с торцевой поверхностью наконечника. Наконечники должны точно совмещать торцы оптических волокон, поэтому на рабочие характеристики получаемого соединения могут влиять несколько факторов, таких как несоответствие диаметра отверстия наконечника, отсутствие соосности, некруглость наконечника, поперечное смещение, зазор между торцами волокон и угловое смещение.

В целом всё это может показаться незначительным, микроскопическим отклонением. Тем не менее, такие отклонения способны серьезно повлиять на производительность и надежность соединения. Если соединения используются в критически важных приложениях, необходимо осознавать влияние подобных факторов на общую производительность системы.

В этой статье мы обсудим, насколько каждый из указанных факторов важен для обеспечения высокого качества производимых наконечников, и как добиться максимальной производительности оптоволоконных соединений.

Отклонение диаметра отверстия

Примечание: На рисунке не соблюден масштаб. Для наглядности размер некоторых элементов увеличен.

Отклонение диаметра отверстия в наконечнике приводит к тому, что волокно не фиксируется вдоль его центральной оси. Это может привести к появлению смещения при совмещении сердцевин волокон и повышению потерь в соединении.

Диаметр отверстия

Наконечники поставляются с различными диаметрами отверстий. Диаметр зависит от размера того оптического волокна, на которое будет устанавливаться наконечник. Причина отклонения диаметра может, к примеру, заключаться в том, что иногда размер отверстия преднамеренно немного увеличивается относительно «стандартного» диаметра волокна, чтобы учесть отклонения в диаметре его оболочки. Под оболочкой понимается слой из стекла или пластика с более низким показателем преломления, который окружает внутреннюю сердцевину волокна. Благодаря отражению оболочка позволяет удерживать свет в сердцевине волокна и лучше пропускать сигнал.

Наконечники изготавливаются из керамики с использованием процесса литья под давлением. После начального этапа литья в наконечниках просверливается прецизионное отверстие. Затем они полируются для удаления любых следов механической обработки, вмятин или царапин. После измерения диаметра отверстия наконечники сортируются. Наряду с определением волокна с небольшим изменением диаметра оболочки, ключевым этапом подготовки является определение соответствия параметров наконечника определенному приложению и желаемому уровню функционирования.

Для одномодовых кабельных наконечников необходим наиболее жесткий допуск на диаметр отверстия, который позволит обеспечить правильное выравнивание волокон (что продиктовано небольшим размером оптической сердцевины волокна, обычно 9 микрон в диаметре). Даже небольшое несовпадение двух одномодовых оптических волокон может привести к большим потерям при пропускании сигнала. Многомодовое же волокно не так чувствительно к неточному сопряжению из-за большего размера сердцевины (50 микрон, 62,5 микрона или до 100 микрон), поэтому для многомодовых наконечников возможны более щадящие допуски.

Получение отверстия нужного диаметра является только первым шагом к качественной концевой заделке волокна. Нежелательные отклонения диаметра отверстий не позволят зафиксировать оптическое волокно вдоль центральной оси. Это изменение приведет к неправильному сопряжению сердцевин волокон, и, возможно, к увеличению потерь в соединении.

Неправильное расположение внутри наконечника

На рисунке приведен пример типового одномодового оптического волокна с оболочкой (красного цвета) поверх одномодовой сердцевины (синего цвета), которое вставлено в наконечник LC. На рисунке видно, что оптическое волокно неправильно расположено в отверстии наконечника, о чем свидетельствует белый зазор вдоль его края.

Диаметр отверстия зависит от незначительных факторов. Волоконная оптика – это технология, которая требует предельной точности и внимания к деталям. Даже при малейшем отклонении происходит потеря света и, следовательно, данных. Чем больше расхождение, тем ниже пропускная способность соединения.

Компания Ilsintech производит кабельные наконечники для сварных соединителей и для кабельных сборок. По завершении изготовления и обработки различных элементов каждый наконечник подвергается множеству измерений в соответствии с внутренними стандартами. Наконечники классифицируются по размерам (включая диаметр отверстия). Это позволяет определить, где он будет использоваться, или, если наконечник не соответствует рабочим стандартам, принять решение о его утилизации.

Соосность

Соосность – это расположение одного цилиндрического элемента вдоль оси другого цилиндрического элемента. Чтобы свет передавался между двумя оптическими волокнами, наконечники установленных на эти волокна соединителей должны быть выровнены по одной оси. Любое несоответствие (когда сердцевина одного волокна не располагается на одной оси с другим волокном) будет приводить к оптическим потерям.

В волоконной оптике необходимо учитывать три важных момента:

1. Соосность внутреннего отверстия наконечника – совпадают ли оси отверстия и внешней поверхности наконечника?

2. Соосность сердцевины волокна – совпадает ли ось сердцевины волокна с осью оболочки?

3. Соосность волокна внутри наконечника – совпадают ли ось оболочки волокна с осью отверстия в наконечнике?

Для изготовителя соединителей крайне важно использовать высококачественное волокно от надежных поставщиков с жесткими допусками на соосность его сердцевины. Мы тщательно следим за этим параметром и рассчитываем, что наши партнеры предоставят нам оптическое волокно, которое соответствует или превышает установленные нами допуски. Мы просматриваем документацию и проверяем волокно при получении, чтобы убедиться в его соответствии нашим потребностям.

Кроме того, для высверливания отверстия в наконечнике и получения минимальной величины отклонения отверстия от истинного центра наконечника мы используем высококачественное высокотехнологичное оборудование. Чтобы гарантировать высокое качество и производительность кабельных наконечников, для их проверки используется микроскоп с V-образной канавкой. Каждый наконечник помещается в паз V-образного блока так, чтобы конец волокна был обращен к источнику света. Наконечник поэтапно поворачивается с одновременной съемкой изображений. На каждом этапе записываются координаты центра сердцевины наконечника. Высокоточное измерение позволяет определить среднее значение концентричности наконечника.

Затем, после ввода волокна в отверстие наконечника, каждая выполненная сборка проверяется на точность размещения волокна. Относительно диаметров волокна и отверстия в наконечнике компания Ilsintech придерживается очень строгих допусков, что позволяет снизить до минимума возможность перемещения волокна в отверстии. Максимальное совпадение размеров позволяет снизить вносимые потери.

Цилиндричность

Цилиндричность представляет собой трехмерную версию соосности и обычно влияет на качество изделия и, в конечном итоге, на качество передачи сигнала между двумя наконечниками.

Кругообразность

Термин кругообразность позволяет описать, насколько форма любого объекта близка к идеальному кругу. То есть удовлетворяет требованию, что длина окружности должна быть равна диаметру, умноженному на число Пи (3,14159). Диапазон возможного отклонения от абсолютного значения образует зону допуска.

Когда речь идет о наконечнике, измеряется его цилиндричность, которая является трехмерной версией кругообразности. Цилиндричность – это кругообразность, вытянутая вдоль главной оси наконечника. Цилиндричность является важным фактором во многих производственных процессах, поскольку она, как правило, влияет на качество изделия и, в конечном итоге, на качество передачи сигнала между двумя наконечниками.

В данном случае измеряется цилиндричность самого наконечника, а также отверстия, которое проходит через него. Вместо того чтобы просто измерять кругообразность в одной плоскости, для получения среднего значения придется записывать измерения во многих местах по всей длине цилиндра. Среднее отклонение от абсолютного значения должно быть в пределах допуска.

Если цилиндричность наконечника и отверстия в нем выходят за допустимые пределы, ось наконечника и ось оптического волокна могут быть смещены друг относительно друга. При передаче данных с одного волоконно-оптического кабеля на другой будет происходить потеря сигнала.

Совмещение осей

Совмещение осей – это процесс совмещения двух или более осей друг с другом в пределах установленного допуска.

Боковое выравнивание

Боковое выравнивание определяет степень параллельности кабельных наконечников или волокон. Смещение происходит, когда один из этих компонентов сдвинут относительно другого. Боковое смещение отличается от углового смещения, поскольку компоненты только смещены в одном направлении, в то время как при угловом смещении они еще и повернуты.

При боковом смещении происходит потеря оптической мощности. Подобное смещение препятствует попаданию части света из передающего оптического волокна в принимающее оптическое волокно. По мере увеличения бокового смещения уменьшается передаваемая оптическая мощность, потому что все большая часть света теряется во время передачи.

Боковое смещение может возникать по двум причинам.

Первой причиной может быть неидеальное совмещение отверстий приемного и передающего наконечников. Это возможно из-за плохого выравнивания внутри адаптера.

Адаптеры - это устройства, используемые для первоначального выравнивания наконечников и для удержания совмещенных наконечников на месте. Подобное выравнивание выполняется с использованием какой-либо втулки, обычно изготавливаемой из металлического сплава (обеспечивает хорошее выравнивание) или керамики (выравнивание выполняется лучше). В оптоволоконной системе рекомендуется использовать только высококачественные компоненты. Здесь действительно применима фраза «вы получаете то, за что платите».

Второй причиной смещения может быть отсутствие соосности волокна внутри наконечника. Иногда для облегчения вставки волокна отверстие в наконечнике делается немного большим, чем диаметр оболочки волокна. Для закрепления волокна внутри наконечника используется эпоксидный клей. Однако в некоторых случаях волокно устанавливается не точно в центре отверстия наконечника.

Кроме того, иногда отверстие не располагается точно в центре наконечника. Отсутствие соосности кабеля или сердцевины может привести к боковому смещению осей. Как уже упоминалось выше, компания Ilsintech изготавливает свои наконечники по высоким стандартам, позволяющим гарантировать  высокое качество продукции при работе в полевых условиях.

Угловое смещение является одной из самых сложных проблем в волоконно-оптической связи. Подобное смещение встречается довольно часто, и его трудно избежать без использования эффективного высокоточного оборудования.

Угловое выравнивание

В то время как боковое выравнивание относится к возможности соединения наконечника или волокна в одном направлении, угловое выравнивание говорит о возможности соединения в любом направлении. Когда оптические волокна соединяются под углом (из-за углового смещения), а не по абсолютно прямой линии, это приводит к угловому смещению. По сравнению с боковым смещением это более сложная ситуация, так как необходимо учитывать, насколько смещены сопрягаемые поверхности в любом направлении, а не только в одной параллельной плоскости.

Подобное смещение является одной из наиболее сложных проблем в волоконно-оптической связи. Оно часто встречается и его трудно избежать без эффективного высокоточного оборудования. Хотя некоторые кабели и разъемы рассчитаны на то, чтобы выдерживать несоответствия компонентов друг другу в определенных пределах, чрезвычайно важно обеспечивать максимальную точность сборки.

Когда возникает угловое смещение, происходит потеря передаваемых данных. Если торцы волокон не сопрягаются с максимальной точностью, при передаче сигнала из передающего в приемный кабель будет происходить потеря света. В результате теряется мощность, что приводит к увеличению затрат. Гораздо выгоднее обеспечить максимальную точность всех компонентов соединения. В конце концов, меньшие потери мощности являются более эффективным с экономической точки зрения методом передачи данных.

Как уже упоминалось выше, первым шагом для правильного выравнивания является использование хорошего адаптера с качественной втулкой.

Второй шаг связан с установкой волокна в наконечник. Цилиндричность отверстия плюс плотная посадка позволяют правильно расположить сердцевину волокна и обеспечить хорошее соединение.

Потери от смещения

Возможно несколько смещений. Независимо от того, является ли смещение продольным, боковым или угловым, любое из них приведет к увеличению потерь.

Разделение концов

Разделение концов или продольное смещение возникает, когда концы передающего и приемного волоконно-оптических кабелей не соединены друг с другом с высокой точностью. Вместо полного примыкания между компонентами будет воздушный зазор.

Подобное смещение является результатом неправильного соединения кабельных наконечников, в которые монтируется оптические волокна. Если они не имеют высокоточного соединения друг с другом, между концами кабелей может возникнуть зазор. Появление воздушного зазора может быть связано с грязью и различными загрязнениями (посторонними частицами, влагой, маслом и т.п.), неправильной полировкой торцевой поверхности соединителя (если соединитель не отполирован до нужного радиуса), износом (торцевая поверхность может иметь царапины или осколки) или неправильной комбинацией типов наконечников (например, попытка подключить соединитель APC к соединителю UPC). Однако во многих случаях это является результатом неполной вставки и закрепления соединителя в сопрягаемой втулке адаптера.

Для получения правильного состояния торцевой поверхности наконечников компания Ilsintech использует процедуру высокоточной полировки. В рамках процесса приемки каждый использованный для оконечной заделки волокна наконечник подвергается проверке с использованием интерферометрии и микроскопов, которые позволяют проверить правильность формы и отсутствие загрязнений. В полевых условиях рекомендуется соблюдать осторожность и для обеспечения качественного соединения использовать подходящие чистящие средства (салфетки, тампоны и т.п.).

Несмотря на наличие определенного допуска, чем больше расстояние между концами волокон, тем больше потеря мощности. Когда компоненты имеют высокоточное соединение, свет может свободно проходить от одного волокна в другое. Однако при наличии зазора свет будет передаваться неправильно, и мощность сигнала будет уменьшаться.

Выводы

Волоконная оптика обеспечила надежный путь для быстрой передачи данных на большие расстояния. Главным условием такой передачи является необходимость обеспечить максимально высокие характеристики соединения оптоволоконных кабелей. Как было подробно рассмотрено выше, для достижения этой цели просто необходима максимально высокая точность производства наконечников, поскольку даже незначительное отклонение может привести к возникновению проблемы с подключением.

Брэд Эверетт, компания Ilsintech

Примеры оборудования

Сравнение кабельных и сетевых решений для перехода от 40G к 100G в ЦОД

400G Ethernet - что представляет собой новейший стандарт?

Сварка оптических волокон с низкими потерями в соединении для критически важных применений