18.4. Соединение волокон

В процессе монтажа оптической магистрали осуществляется стационарное (неразъемное) соединение отдельных строительных длин кабеля. При вводе оптического кабеля в здание или регенераторные пункты для многократного соединения–разъединения с оптоэлектронным оборудованием применяются разъемные соединители – коннекторы.

Соединение оптических волокон осуществляется в нижеприведенной последовательности.

1. Подготовка торцов волокон. До начала соединения двух волокон требуется некоторая подготовка торцов стекловолокон, которая заключается в удалении первичного защитного покрытия с последующей заготовкой гладкого их торца путем скалывания или полировки.

Для удаления первичного покрытия с волокна можно использовать химические и механические способы зачистки.

Для химической зачистки применяются растворители красок, которые содержат в качестве активного вещества метилен хлорид. После замачивания концов стекловолокон в емкости с растворителем в течение минуты происходит размягчение первичного защитного покрытия, которое при незначительных усилиях снимается с волокна. Очищенное волокно вытирается мягкой тканью, смоченной спиртом или ацетоном. При заводском способе зачистки в качестве активного вещества с соответствующими предосторожностями применяют горячую серную кислоту.

Механическая зачистка нашла широкое применение при подготовке торцов волокон в полевых условиях. В качестве инструмента применяется аналогичное устройство, которое используется для снятия изоляции с медных проводов, но отличающееся большей точностью, чтобы исключить повреждение волокон режущими лезвиями. Такое устройство носит название стриппер. Очищенное волокно вытирается сухой мягкой тканью или смоченной спиртом или ацетоном.

Скалыванием называют подготовку торца волокна с нанесением царапины и последующим разломом. Для нанесения царапины используется, как правило, алмазное лезвие. После нанесения царапины волокно растягивается, что вызывает рост засечки и скалывается. Обе эти операции можно выполнить с помощью специального устройства – скалывателя. Зачищенное волокно вставляют в данное устройство, зажимают его, давлением на рычаг царапают волокно, захватывая и растягивая его зажимом, ломают.

В идеале скол волокна должен быть перпендикулярен. Любое откло­нение не должно превышать 1–2 градуса. Качество скола торца волокна зависит от скалывающего устройства и опыта оператора. Плохой скол создает дефекты типа выступа, матовости или волнистости, которые приводят к потерям на стыке.

Шлифовка и полировка торца волокна производится с помощью разнообразных держателей на сухой абразивной бумаге или бумаге, смоченной для отвода тепла водой или абразивными пастами.

После скола или полировки подготовленное волокно необходимо обследовать при помощи микроскопа или десятикратной лупы. При наличии неоднородностей требуется повторить скалывание или продолжить полировку.

В одномодовом соединении с плоскими полированными контактами и при наличии воздушного зазора между сопрягаемыми волокнами, как отмечалось выше, часть энергии отражается назад к источнику и создает возвратные потери (рис. 60, а). Уровень отраженной мощности может достигать 11 дБ, что вполне достаточно для проявления интерференции встречных излучений и ее воздействия на работу лазерного диода.

Одним из способов уменьшения возвратных потерь является закругление концов волокон при полировке (рис. 60, б).

Рис. 60. Распространение отраженной энергии при соединении оптических волокон: а – с плоскими торцами; б – с закругленными торцами

 При этом уменьшение отражения происходит по двум причинам. Во-первых, соединяемые волокна в этом случае контактируют более плотно, что уменьшает отражение, обусловленное разностью показателей преломления воздуха и волокна. Остается только зеркальное отражение, связанное с вариациями оптических свойств волокон. Во-вторых, при скруглении концов волокон отсутствует обратное отражение к источнику. Отражение обычно происходит в сторону, и отраженное излучение покидает волокно.

2. Сращивание. Сращивание осуществляется методом сварки или с помощью механического сростка.

Сварка является наиболее распространенным способом соединения волокон и заключается в местном нагреве границы раздела двух состыкованных и предварительно отцентрированных торцов волокон, в результате которого они сплавляются друг с другом. В качестве источника энергии используется электрическая дуга, возникающая между электродами, пламя газовой горелки или лазер. Наибольшее распространение получила электрическая дуга, поскольку она позволяет довольно просто регулировать нагрев и работать в полевых условиях.

Установка для сварки предусматривает следующие операции.

Очищенные и сколотые торцы волокон зажимают на позиционных платформах с определенным зазором, который позволяет их центрировать вручную или автоматически. После выравнивания производится скругление торцов волокон (предварительное оплавление) маломощной дугой, с выжиганием при этом посторонних веществ. После этого увеличивают температуру дуги, и нагретые торцы волокон сводят вместе, вдавливая друг в друга на определенную длину (длину хода сжатия). Вдавливание (обычно несколько микрон) предотвращает образование горловины в месте сращивания. После вдавливания температуру дуги постепенно уменьшают до полного выключения установки. Образовавшийся сросток подвергают проверочным испытаниям, затем восстанавливают защитное покрытие и при необходимости усиливают.

Качество сварки зависит от расстояния между электродами, времени предварительного оплавления и собственно сварки, тока электрической дуги и длины хода сжатия.

По принципу действия сварочные аппараты подразделяются на аппараты с ручным управлением, полуавтоматические и автоматические.

В аппаратах первого типа S-146 (Furukawa), FSM-0,5 (Fujikura), X73 (SIEMENS) и других после закрепления волокон в микропозиционерах производится их автоматическое сведение. Все операции, связанные со сваркой, выполняются вручную. Как правило, значение потерь для данного класса сварочных аппаратов составляет 0,1 дБ для одномодовых и 0,05 дБ для многомодовых световодов.

В аппаратах второго типа S-148 (Furukawa), FSM-15S (Fujikura) и X-75 (SIEMENS) центрирование также осуществляется посредством V-образных канавок, однако сведение волокон и процесс сварки проводятся в автоматическом режиме по предварительно заданной программе, определяемой типом свариваемых волокон. Значение потерь при этом составляет 0,04–0,05 дБ для одномодовых волокон и 0,03 дБ – для многомодовых волокон.

Большинство современных сварочных устройств содержат микропроцессоры, которые выполняют все операции сварки полностью автоматически. К данному типу сварочных аппаратов относятся следующие устройства: S-174H/S-174K (Furukawa), FSM-30S (Fujikura), TYPE-35S/TYPE-36 (Sumitomo Electric), X60/X77 (RXS GmbH-SIEMENS) и FSU 975 (ERICSSON).

Рассмотрим возможности таких устройств на примере сварочного аппарата фирмы Sumitomo TYPE 35 SE.

Этот аппарат позволяет 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 месте их соединения и, если это необходимо, дает команду повторить сварку. Кроме этого аппарат защищает место сварки специальной гильзой и проверяет на прочность сварное соединение. Аппарат позволяет сваривать одномодовые и многомодовые стекловолокна с потерями соответственно 0,02 и 0,01 дБ, что является превосходным результатом. Однако аппараты довольно дороги. Тем не менее предпочтение отдается именно им, так как, используя их, достигают две цели:

– высокое качество сварки;

– высокую скорость работ, что немаловажно при выполнении ответственных заказов (срочная ликвидация аварии на магистральной линии связи).

Компанией Sumitomo Electric Industries разработан сварочный аппарат для одновременного сращивания нескольких волокон оптического кабеля ленточного типа, что позволяет резко сократить время и расходы на сварку.

Под словосочетанием механические сростки подразумевают все несварные соединения. Разработано большое разнообразие механических сростков. Но для всех них требуются подготовка оптических волокон к соединению (скалывание или полировка торца волокна) и вещество для выравнивания показателя преломления отдельных стекловолокон, элементы для их центрирования, а также зажимы или клей для фиксации положения.

Выравнивающим веществом может служить гель, смазка или клей.

Гель используется как жидкость, которая, затвердевая, образует устойчивое связывающее вещество. Смазки не затвердевают, поэтому они менее стабильны к окружающим условиям.

Механическое сращивание подразделяется на активное или пассивное в зависимости от того, производится ли выравнивание волокна для оптимизации потерь или нет.

При механическом сращивании отдельных волокон доминируют три технологии:

– четырехстержневые направляющие компании TRW;

– эластомерные сростки компании GTE;

– вращаемый сросток компании AT&T.

Начиная с 1980 г. компания TRW освоила выпуск механических сросток Optasplice. Основой этой конструкции являются направляющие, состоящие из четырех стеклянных стержней, которые образуют ромбо­идальное отверстие с четырьмя V-образными желобками (рис. 61).

Эластомерные вставки

Стеклянная трубка

Рис. 62. Соединение волокон с помощью эластомерного сростка

Стеклянные стержни

Оптическое волокно

Рис. 61. Соединение волокон с помощью четырехстержневых направ­ляющих

Волокна вставляют в отверстие, а пустые пространства заполняют выравнивающим клеем, который затвердевает под действием ультрафиолетового излучения. Поверх направляющих надевают защитную трубку из нержавеющей стали.

В 1981 г. компания GTE освоила выпуск механических сростков, основу которых составляют две вставки из эластомерного полистирола (рис. 62).

Одна из вставок имеет по всей длине V-образный желобок с углом 60°, а вторая – плоскую поверхность. Сложенные вставки центрируют и прижимают предварительно заготовленные волокна. Надетая поверх стеклянная трубка фиксирует сросток. Свободные пространства заполняют затвердевающим клеем.

Точной подстройки можно добиться во вращаемом механическом сростке компании AT&T, внедренном в 1985 г. (рис. 63).

   

Рис. 63. Соединение волокон с помощью вращаемого сростка

  В этом сростке для подготовки торцов волокон используют полировку. Сросток можно легко подстраивать путем вращения двух стеклянных втулок, в которые вставляются волокна. Втулки закрепляются в треугольных муфтах. После выравнивания волокон свободные пространства заполняют затвердевающим клеем.

И, наконец, в 1988 г. компания 3М освоила выпуск сростка оптических волокон Fibrlock (рис. 64).

 

а

Рис. 64. Соединение волокон с помощью замка Fibrlock: а – с открытой крышкой; б – с закрытой крышкой

б

В этом сростке волокна выравнивают и зажимают в V-образном элементе из алюминиевого сплава. Сжимание производится с помощью пластмассовой крышки. Все пустоты заполняются выравнивающим веществом.

Без активной подстройки все рассмотренные механические сростки обеспечивают величину затухания при сращивании одномодовых световодов не более 0,2 дБ. При подстройке потери на сростке не превышают 0,05 дБ.

Многоволоконные соединители целесообразно использовать при сращивании волокон ленточных кабелей.

Фирмой AT&T разработан быстрый ленточный сросток, который обеспечивает одновременное соединение 12 волокон в полевых условиях.

Все сростки в ленте полируют одновременно, зачищают и укладывают в пазы на гравированной полимерной подложке. Поверх накладывают крышку и зажимают пружинами. Через отверстие в крышке заполняют все пустоты выравнивающим веществом. Средние потери при сращивании многомодовых волокон составляют менее 0,3 дБ и для одномодовых волокон – 0,5 дБ.

Оптические коннекторы – это механическое устройство предназначенное для многократных соединений. Они обеспечивают быстрый способ переконфигурации оборудования, проверки волокон, подсоединения к источникам и приемникам света.

Перед установкой коннектора торец волокна зачищают, а затем скалывают или полируют. Коннекторы в основном создают большие потери, чем сростки, так как в них обычно не используется выравни­вающее показатели преломления вещество, и они не подстраиваются.

Коннектор для соединения одиночных волокон состоит из двух основных частей: штекера и соединителя.

Штекер состоит из цилиндрического или конического наконечника с волокном внутри капиллярного отверстия, проходящего по центральной оси наконечника. Наконечники изготавливают из керамики, пластмассы или нержавеющей стали.

Керамические наконечники обладают лучшими качествами и применяются для соединения одномодовых волокон. Керамика является достаточно прочным материалом, позволяющим высверливать отверстие под волокно с высокой точностью. Кроме того, она сохраняет высокие технические характеристики в широком диапазоне температур и других внешних воздействий. Для наконечников используется два вида керамики: окись алюминия и окись циркония. Первоначально применяли окись алюминия – твердый, неэластичный материал, позволяющий очень точно выдерживать допуски в процессе его изготовления. Коэффициент теплового расширения окиси алюминия (степень уменьшения или увеличения линейных размеров образца при изменении температуры) очень близок к аналогичному коэффициенту для стекла. Недостатком данного материала является его хрупкость и разрушение при незначительных давлениях. Кроме того, полировка окиси алюминия достаточно сложна, особенно в полевых условиях. Окись циркония – более мягкий вид керамики и более устойчивый по отношению к механическим ударам. К тому же он достаточно прочен и позволяет выдерживать допуски подобно окиси алюминия, но в отличие от нее легче полируется.

Пластмассовые наконечники обладают меньшей стоимостью, но обеспечивают менее качественное соединение.

Наконечники из нержавеющей стали имеют промежуточные характе­ристики. Их широкое применение объясняется высокой прочностью и меньшей хрупкостью по сравнению с керамикой.

Наиболее распространенный размер наконечника равен 2,5 мм в диаметре, что фактически стало стандартом.

Штекер имеет резьбовую крышку, которая удерживает его и соединитель вместе. Для приложения контролируемой нагрузки на границу волокон крышка может иметь пружину, для предотвращения поворота штекера внутри соединителя – ключ, для ограничения минимального радиуса изгиба волокна при вводе в штекер – защитную трубку, для предотвращения выдергивания волокна – рукав для снятия деформации.

Для закрепления волокна в соединителе применяется эпоксидный клей, после застывания которого волокно вместе с наконечником полируется для обеспечения гладкости среза соединителя.

В настоящее время разработана бесклеевая технология. Корпус такого соединителя имеет дополнительный наконечник, позволяющий закрепить волокно как на конце, так и у основания соединителя. Такие обжатые волокна имеют технические характеристики, не уступающие клеевому закреплению, однако по времени установки выгодно отличаются от последнего.

Рассмотрим наиболее распространенные типы коннекторов.

Коннектор FC разработан японской компанией NTT (Nippon Telephone and Telegraph) и обеспечивает высококачественное соединение как многомодовых, так и одномодовых световодов. Коннектор имеет наконечник диаметром 2,5 мм, который изготавливается из керамики, нержавеющей стали или композита. Зачищенное волокно вставляется в отверстие в центре наконечника, закрепляется и полируется. Коннектор имеет разъединительную муфту, мягко расположенную в корпусе соединителя, подпружиненную резьбовую крышку и ключ.

Аналогичный по устройству коннектору FC коннектор D4 разработан японской компанией NEC (Nippon Electric Corporation) для использования в многомодовых и одномодовых световодах. Отличительным признаком является применение 2,0 мм наконечника.

Коннектор ST, выпускаемый компанией AT&T, представляет собой высококачественный малогабаритный соединитель, который нашел применение для стыковки как многомодовых, так и одномодовых световодов. Штекер коннектора ST состоит из цилиндрического наконечника, изготовленного из керамики, полимера или нержавеющей стали диаметром 2,5 мм. Наконечник выравнивается муфтой, мягко расположенной в корпусе соединителя, с поперечным сечением, напоминающим сечение поршневого кольца в бензиновых двигателях. Этим достигается равномерное распределение в муфте радиальной силы, которая действует на вставляемый наконечник. Наличие ключа и пружины, контролирующей силу на конце наконечника, уменьшает вероятность повреждения волокон. В отличие от других типов коннекторов коннектор ST имеет не резьбовую крышку, а защелкивающийся байонетный механизм. Поворот крышки на 45° завершает соединение.

Данный тип соединителя производится примерно тридцатью компаниями и является наиболее распространенным. Он широко используется в локальных сетях, внутренних кабельных системах, тестовом оборудовании и т. д.

Коннектор SC (subscriber connector) выпускается компанией NTT и применяется как для одномодовых, так и для многомодовых световодов. Он пришел на смену коннекторам FS и D4 в современных глобальных телекоммуникационных системах и составил серьезную конкуренцию коннектору ST в локальных сетях и аналогичных областях применения. Коннектор SC отличается простотой конструкции. Он состоит из корпуса с наконечником, корпуса соединителя, обжимного кольца, резинового выпрямляющего хвостовика и пылезащитного колпачка. Наконечник диаметром 2,5 мм изготавливается из керамики: окиси алюминия или окиси циркония. Защелкивающий механизм надежно фиксирует соединение.

Коннекторы SMA (Sub-Miniature type A) применяются для соединения многомодовых световодов. SMA поставляется в двух моделях: 905 и 906. SMA штекер состоит из цилиндрического наконечника (диаметр для соответствующих моделей 3,2 мм и 3,0 мм), изготовленного из полимера или алюминия, стали, латуни или керамики. В 906-й модели для лучшего выравнивания применяется полимерная выравнивающая муфта, которая надевается на кончик наконечника. SMA штекеры подсоединяются к своим соединителям посредством гайки с резьбой. Давление на стыке зависит от того, насколько туго завернута гайка, что предопределяет величину потерь на стыке.

Биконические коннекторы выпускаются компанией AT&T и используются для соединения как многомодовых, так и одномодовых световодов. Наконечник такого коннектора имеет форму усеченного конуса, а соединяющая муфта имеет два соответствующих внутренних сужения, отчего коннектор получил название биконический. Сужения обеспечивают легкость вставки штекера и незначительное истирание наконечника и муфты, что придает ему большую долговечность по сравнению с остальными типами коннекторов. Наконечник и муфту биконических коннекторов изготавливают из полимера или нержавеющей стали. Торцы волокон только полируются. Пружина, расположенная в штекере, гарантирует контролируемую продольную нагрузку, действующую на муфту независимо от силы завинчивания. Для предупреждения вращения наконечника в муфте в штекере установлен ключ, который выравнивается с пазом на соединительной муфте.

Из большого разнообразия многоволоконных коннекторов необходимо выделить дуплексные коннекторы, которые предназначены для одновременного подсоединения двух волокон к приемопередатчику. В этих коннекторах используются те же втулки и муфты, что и в одиночных, только они располагаются в специальном корпусе.

Коннекторы FDDI MIC сконструированы ANSI (Американский национальный институт стандартов) для использования в FDDI сетях. Данный тип соединителя имеет наконечники диаметром 2,5 мм, которые находятся в корпусе, защищающем их от повреждений. Мягкий интерфейс позволяет организовать соединение без особых усилий. Наличие защелок на корпусе обеспечивает надежную фиксацию соединения.

Коннектор ESCON получил свое название благодаря использованию компанией IBM в ESCON-интерфейсе канального типа. Он аналогичен коннектору FDDI. Принципиальное отличие заключается в отодвигаемом корпусе, который позволяет легко подключить соединитель к установке, но не может обеспечить столь надежного фиксированного соединения, как коннектор FDDI.

В табл. 8 приведены технические характеристики основных типов коннекторов.

Таблица 8

Технические характеристики коннекторов

Тип коннектора	Применение, наконечник	Потери в соединении, дБ	Возвратные потери, дБ	Срок службы, стык./расст.
FC	ОМ/ММ	0,3	40	1000
ST	ОМ ММ (керам.) ММ (сталь) ММ (пластм.)	0,3 0,3 0,6 0,7	40 – – –	1000 1000 1000 250
SC	ОМ/ММ	0,3	40	1000
FDDI	ОМ ММ	0,3 0,5	35 –	500 500
ESCON	ММ	0,5	–	500
SMA	ММ	1,5	–	250

Из табл. 8 видно, что наилучшими характеристиками обладают коннекторы с керамическими наконечниками, которые и нашли применение в оптических магистралях.

Контрольные вопросы

1. Назовите причины появления внутренних потерь в многомодовых оптических волокнах.

2. Назовите причины появления внутренних потерь в одномодовых оптических волокнах.

3. Какое смещение создает наибольшие потери и почему?

4. Что такое френелевское отражение и как оно влияет на величину потерь?

5. Объясните природу появления межмодового шума.

6. Назовите последовательность операций при подготовке оптических волокон к соединению.

7. Приведите классификацию сварочных аппаратов.

8. Приведите функции, выполняемые автоматическим сварочным аппаратом.

9. В каких случаях для выполнения соединения оптических волокон применяются механические сростки?

10. Приведите основные типы механических сростков.

11. Что такое пассивные и активные механические сростки?

12. Приведите конструкцию коннекторов.

13. Какие материалы применяются для изготовления наконечников штекеров? Приведите их характеристику.

14. Назовите марки коннекторов, получивших наибольшее распространение?

15. Приведите основные характеристики коннекторов.