4. З’єднання волоконних світловодів

Проблеми з’єднання волоконних світловодів мають особливу актуальність при розробці технології їхнього промислового засто­сування. Вибір способу зрощування залежить від умов застосуван­ня волоконної оптики.

Для з’єднання оптичних волокон розроблено два способи з’єд­нань: рознімний й нерознімний.

Нерознімні з’єднання оптичних волокон здійснюються методом зварювання, методом склеювання, а також за допомогою меха­нічних з’єднувачів. Для створення рознімних з’єднань оптичних волокон використовуються оптичні конектори.

З’єднання оптичних волокон за допомогою зварювання є сьо­годні найпоширенішим методом одержання нерознімних з’єд­нань. Завдяки достатньою мірою зробленій технології цей метод дозволяє одержувати якісні з’єднання з низькими показниками внесених втрат (порядку 0,1—0,15 дБ), що спричиняється його за­стосування на лініях зв’язку, де цей показник входить у пріори­тетні — магістральні, зонові й інші — високошвидкісні — ВОЛЗ.

Зварювання оптичних волокон передбачає оплавлення кінців волоконних світловодів шляхом розміщення їх у полі потужного джерела теплової енергії, як, наприклад, полі електричного розря­ду, полум’я газового пальника, зоні потужного лазерного випро­мінювання.

Кожний з названих методів має свої переваги й недоліки. Пере­вагою методу зварювання за допомогою лазера можна вважати можливість одержання чистих з’єднань через відсутність у них сторонніх домішок, і, як наслідок, досить малих втрат (0,1 дБ і менше). Як джерело лазерного випромінювання високої потуж­ності (до 5 Вт) використовуються газові лазери на С0₂.

До переваг методу зварювання за допомогою газового пальника слід також віднести можливість одержання з’єднань оптичних волокон, що відрізняються високою міцністю місць з’єднання.

Як джерело полум’я використовують суміш пропану з киснем або з’єднання кисню, хлору й водню. Цей метод застосовується зде­більшого для зварювання багатомодових оптичних волокон.

Основною перевагою зварювання в полі електричного розряду є швидкість і технологічність. Цей метод набув популярності як призначений для зварювання одномодових світловодів.

Апарати для зварювання оптичних волокон можна класифі­кувати: за способом юстування кінців оптичних волокон, що зва­рюються (залежно від геометричних розмірів серцевин або від втрат потужності світлового сигналу, що поширюється через місце зварювання); за способом здійснення операцій (ручні чи автома­тичні); за типом пристрою контролю (мікроскоп, монітор на рід­ких кристалах); за кількістю оптичних волокон, які можуть бути зварені одночасно (одно- і багатоволоконні).

Молена виділити такі технологічні етапи зварювання оптичних волокон у полі електричного розряду:

• підготовка торцевих поверхонь оптичних волокон, що з’єдну­ються;

» надягання захисної гільзи на одне з волокон, що з’єднуються;

• установка підготовлених кінців оптичних волокон у напрямні системи зварювального апарата;

• юстування оптичних волокон, що зварюються;

» попереднє оплавлення торців оптичних волокон з метою лікві­дації мікронерівностей, що виникають у процесі сколювання;

® безпосереднє зварювання оптичних волокон;

• попереднє оцінювання якості зварювання;

• захист місця зварювання за допомогою гільзи;

• остаточна оцінка якості зварювання за допомогою рефлекто­метра.

Існують два способи юстування. Перший базується на вирів­нюванні серцевин оптичних волокон, що зварюються, по їхніх гео­метричних розмірах за допомогою бічного підсвічування кінців во­локон, що зварюються. Другий спосіб заснований на вирівнюванні серцевин оптичних волокон за принципом мінімізації втрат тесто­вого світлового сигналу, що поширюється через місце зварювання.

Особливо слід зазначити зварювання стрічкових елементів (стрічкових волоконно-оптичних кабелів, що відрізняються біль­шою кількістю оптичних волокон). Цю операцію молена здійсню­вати, тільки застосовуючи автоматичний зварювальний апарат, за допомогою якого можна з’єднати до 12 оптичних волокон приблиз­но за 3 хвилини, причому середній рівень втрат складе близько

ОД...0,15 дБ. Однак для зварювання стрічкових елементів необ­хідний досвідчений, добре підготовлений персонал.

Під час зварювання оптичні волокна розміщаються з відпо­відним зсувом від осі електродів, що забезпечує рівномірне на­грівання. До початку процесу зварювання й по його завершенні перевіряється зсув оптичних волокон, стан торцевих поверхонь, а також деформація.

При зварюванні стрічкових елементів необхідно, крім основних процесів, розглянутих вище, провести хце три технологічні опера­ції: усунути розбіжності торців оптичних волокон, що з’єдну­ються, плавлення всіх волокон виконати одночасно з однаковою температурою, у процесі попередньої оцінки виміряти рівень вне­сених втрат рефлектометром. Якщо виявилося, що результати не відповідають вимогам, процес зварювання повторюють.

У міру вдосконалювання якості зварювального встаткування й технології зварювання зростають можливості одержання зваре­них з’єднань оптичних волокон високої якості. Втрати на зварених з’єднаннях залежать від декількох факторів: досвіду персоналу, геометричних похибок оптичних волокон, що зварюються, а та­кож від матеріалів, з яких виготовлені, волокна. Особливо часто проблеми виникають при зварюванні оптичних волокон різних виробників. Справа в тому, що оптичні волокна різних виробників виготовляються з використанням технологічних процесів, що принципово відрізняються один від одного. У результаті матеріал оптичних волокон — кварцове скло — не є ідентичним у волокнах різного походження, незважаючи на те, що параметри оптичних волокон, зазначені в специфікаціях фірм-виробників, відрізня­ються незначно.

Більш досконалі апарати для зварювання оптичних волокон містять програми, що оптимізують процес зварювання для оптич­них волокон різних типів і різних виробників, однак на практиці нерідкі ситуації, коли, використовуючи стандартні програми, не­можливо одержати якісне зварювання. У такому разі необхідно самостійно коректувати параметри процесу (час і струм, що по­дається на електроди) для досягнення оптимальних результатів.

Практично одночасно з методом зварювання було розроблено метод склеювання оптичних волокон. Для одержання клейових з’єднань використовують сполучення й фіксацію оптичних воло­кон: у капілярі, у трубці із прямокутним перетином, за допомогою V-подібної канавки й за допомогою трьох стрижнів як напрямних. Оптичні волокна з’єднуються один по одному.

Технологія одержання таких з’єднань складається з таких етапів:

« підготовка оптичних волокон до з’єднання (очищення, зняття буферних покриттів, сколювання);

• уведення оптичного волокна в капіляр;

• наповнення імерсійною рідиною, гелем або клеєм;

• регулювання з’єднання, юстування оптичних волокон;

• нанесення адгезійної речовини;

• цементування адгезійної речовини за допомогою ультрафіо­летового випромінювання.

Клей, використовуваний для оптичних волокон, повинен мати коефіцієнт переломлення, близький до коефіцієнта переломлення волокон. Він має забезпечувати фіксоване положення з’єднаних оптичних волокон, захищати місце зрощування від впливів навко­лишнього середовища, гарантувати міцність з’єднання при впливі навантажень в осьовому напрямку. До переваг цього методу слід віднести оперативність і відсутність деформації серцевин оптич­них волокон, що з’єднуються. Це сприяє тому, що в області сти­ку — малі втрати, забезпечуються добрі механічні властивості й т. п. Однак обмежений термін служби й нестабільність у часі, а також досить висока чутливість до підвищення температури й впливу вологості, є факторами, що стримують поширення цього методу одержання нерознімних з’єднань. У цей час він поступився методу з’єднання оптичних волокон за допомогою механічних з’єднувачів.

Механічні з’єднувачі оптичних волокон розроблялися як більш дешевий і швидкий спосіб зрощування оптичних волокон. Застосу­вання апарата для зварювання оптичних волокон пов’язано з необ­хідністю дотримання ряду умов: для роботи використовується при­міщення, параметри якого (температурний діапазон, вологість, тиск, вібрації тощо) відповідають вимогам виробників зварюваль­ного встаткування; також необхідна організація живлення від мережі змінного струму з досить жорстко регламентованими пара­метрами. При вартості комплекту встаткування для зварювання оптичних волокон, тцо становить десятки тисяч доларів США, амортизаційні відрахування, а також технічне обслуговування й ремонт є надто дорогими. Досить високі вимоги ставляться та­кож до персоналу, що здійснює роботи зі зварювання оптичних во­локон. Часто цими ж особами здійснюється налагодження й обслу­говування апаратів для зварювання оптичних волокон (очищення

напрямних поверхонь і затисків, заміна електродів тощо), для чого потрібні фахівці з високим рівнем кваліфікації.

Усіх цих складностей можна уникнути, застосовуючи меха­нічні з’єднувачі оптичних волокон (рис. 6.27, 6.28). Конструкція оптичних з’єднувачів відносно проста. Основними вузлами є на­прямні для двох оптичних волокон і пристрій фіксації волокон. Внутрішній простір заповнюється гелем для захисту відкритих ділянок оптичних волокон від впливу вологи. Одночасно гель має імерсійні властивості — його показник переломлення близький до показника переломлення серцевини волокна.

Процедура монтажу оптичних з’єднувачів є частиною процеду­ри монтажу проміжного або кінцевого пристрою — кабельної муф­ти, боксу або стійки. Розміри й форма оптичних з’єднувачів дозво­ляють установлювати їх у касету муфти або боксу аналогічно з’єднанням оптичних волокон, отриманих шляхом зварювання.

Процедура монтажу складається з таких технологічних опе­рацій:

• оброблення кабелів;

• очищення оптичних волокон від гідрофобного гелю (при його наявності);

» зняття буферних покриттів оптичних волокон, що з’єднують­ся, на ділянках довжиною, що рекомендується виробниками оптичних з’єднувачів конкретного типу;

• сколювання оптичних волокон;

• перевірка якості відколу волокон;

• введення волокон, що з’єднуються, в отвори з напрямними;

• позиціонування волокон у з’єднувачі для досягнення опти­мальних параметрів з’єднання;

• фіксація оптичних волокон у з’єднувачі;

• тестові вимірювання з’єднання.

Рис. 6.28. Механічний з’єднувач Fibrlok II виробництва ЗМ

Слід зазначити, що застосування механічних з’єднувачів є най­швидшим способом з’єднання оптичних волокон. При цьому

Рис. 6.27. Механічний з’єднувач стрічкових елементів оптичних волокон виробництва Lucent Technologies

внесене загасання практично не відрізняється від загасання, ство­рюваного звареним з’єднанням. Досить стійке функціонування ме­ханічних з’єднувачів у процесі експлуатації дозволяє вже сьогодні рекомендувати їх для широкого впровадження на телекомуніка­ційних мережах з невисокими вимогами до якості з’єднань, а та­кож у випадках, коли використання апарату для зварювання оп­тичних волокон технологічно ускладнено або взагалі неможливо. Надалі статистика технічної експлуатації, а також удосконалю­вання матеріалів компонентів механічних з’єднувачів, імовірно, визначить їх більш широке застосування для будівництва теле­комунікаційних волоконно-оптичних ліній різних рівнів.

У загальному вигляді оптичний з’єднувач складається з двох рознімів, або, як їх часто називають, конекторів.

їхнім основним, елементом є світловоди. Прецізійні наконечни­ки світловодів являють собою циліндри з діоксида цирконію, що симетрично встановлюються в плаваючі центратори, які, у свою чергу, встановлюються в корпус конектора. Центратори являють собою розрізні втулки, які для більшості типів з’єднувачів одномо- дових волокон виконуються з високоміцної кераміки, а для з’єд­нувачів багатомодових волокон — й бронзи. Конектори можуть бу­ти однотипними або взагалі перебувати в одному корпусі, але найчастіше складаються із приладової й відповідної частини, по­дібно електричним рознімам. З’єднувачі фіксуються за допомогою байонетних, різьбових або замкових з’єднань. Корпуси можуть бу­ти як металевими, так і пластмасовими.

Рес. 6.29. З'єднували оптичних волокон РС, вт, БС, ЬС і МТ-ІМ

Зараз на мережах зв’язку широко застосовуються оптичні з’єд­нувачі типів ГС, вТ і 8С. У технічній літературі вони часто назива­ються з’єднувачами першого покоління. До другого покоління на­лежать з’єднувачі типів ЬС і МТ-ЇМ. (рис. 6.29). Що ж позначають ці абревіатури?

З’єднувачі Ї'С мають на­різне сполучення приладової й відповідної частин, 8Т — байонетне, а 8С — замкове, причому 8С виконується в пластмасовому корпусі, а ЕС і вТ — у металевому.

Діаметр наконечників дорів­нює 2,5 мм. Хвостовики й заглушки з’єднувачів усіх

перерахованих типів пластмасові. У рознімів 8С і ГС підпружи- нений кінцевик має можливість поздовжнього переміщення в кор­пусі конектора. Два розніми 8С можуть з’єднуватися разом для утворення дуплексної пари.

З’єднувачі ЬС і МТ-їи належать до малогабаритних, хоча їхні розміри не набагато менші, ніж у з’єднувачів першого покоління.

У з’єднувачів названих вище типів основною причиною виник­нення втрат є неспіввісність волокон. Величина втрат не переви­щує 0,2 дБ. З’єднувачі відрізняються досить високою стійкістю до впливу кліматичних і механічних факторів. Робочий діапазон тем­ператур від —60 до +85 °С, підвищення вологості до 100 % при температурі +40 °С за даними фірм-дилерів не впливає на величи­ну втрат. За цими самими даними з’єднувачі витримують одиночні удари із прискоренням до 1000|? і вібраційні навантаження із час­тотою від 10 до 1250 Гц. Якщо в металевих рознімах при цьому фіксувалися резонансні частоти, на яких спостерігався пік втрат, то в пластмасових рознімах резонансу не спостерігалося.

З’єднувач МТ-їи являє собою дуплексний несиметричний роз- нім. Один з конекторів має напрямні штирі, інший — відповідні отвори, між якими розташовуються торці волокон. Безсумнівною перевагою цього з’єднувача є його низька вартість, а недоліком — трохи менші показники надійності й більш високі, ніж у з’єдну­вачів інших типів, оптичні втрати. Це можна пояснити менш точ­ним збігом оптичних осей і можливістю виникнення занадто вели­ких зазорів між торцями волокон внаслідок недосконалості механізму фіксації конекторів.

Оптичні з’єднувачі повинні задовольняти таким вимогам:

• вносити мінімальні втрати;

• мати стійкість до механічних впливів, температури й радіації;

• забезпечувати захист з’єднання від впливу пилу, вологи, хі­мічної речовини.

Опторозніми з індивідуальним стикуванням окремих волокон характеризуються дуже малими перехідними втратами, а пере­хресне загасання між сусідніми каналами перевищує 70 дБ.