ДС Радиооптика_1 / Литература ч.1 / Введение в радиооптику

Введение в радиооптику

тронных модулей (приемников и передатчиков) с волокном кабеля, соединения отрезков ОК между собой, а также с другими компонентами.

Соединитель в волоконной оптике − это комплект коннекторов, установленных на ВОК и состыкованных в розетке. Сегодня установка коннектора на ОК даже в полевых условиях, в зависимости от конструкции, занимает от 2 до 10 минут (это всего лишь длительность технологического цикла), а трудоемкость оконцовки еще ниже. Сейчас оператор в стационарных условиях может оконцевать до 50 и более шнуров в смену.

Обычно основа коннектора − прецизионный наконечник, в который вклеивается ОВ. Отверстие под ОВ − 125 микрон; суммарный допуск на диаметры наконечника и отверстия, на их соосность − единицы микрон, даже если используется многомодовое − с диаметром световедущей жилы 62,5 мкм. А работать все чаще приходится с одномодовым − 9/125 мкм. Появившиеся позже ОВ с хорошей геометрией и керамические прецизионные наконечники позволили полностью отказаться от юстировки серийной продукции. Уход от юстировки дал возможность вести оконцовку в условиях объекта. Появились комплекты инструментов и приспособлений, размещенные в удобных кейсах; были разработаны модификации коннекторов, исключающие операции полировки торца и даже вклейку ОВ в условиях объекта. Работа свелась к разделке ОК и механической фиксации на нем коннекторов, но платить за это пришлось снижением качества и надежности либо существенным увеличением стоимости. Часто применяется наиболее прогрессивный способ монтажа сетей − из заранее оконцованных ОК заказной длины, в том числе бронированных, длиной до двух километров (так называмые претермированные). Коннекторы таких многожильных шнуров защищены при транспортировке и прокладке отрезком гибкого металло-рукава, снабженного рымболтом для удобства прокладки по коммуникациям. Общий вид коннектора приведен на рис. 6.16.

Рисунок 6.16 − Общий вид коннектора

Широко используются многоволоконные вилки и различные оптические разветвители (рис. 6.17), упрощающие процессы сборки.

161

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

Рисунок 6.17 − Многоволоконные вилки и оптические разветвители

Соединители типа ST

Коннектор SТ разработан компанией AT&T и в настоящее время получил наибольшее распространение в оптических подсистемах локальных сетей, в охранном телевидении. Основой конструкции коннектора является керамический наконечник (ferrule) диаметром 2,5 мм с выпуклой торцевой поверхностью, которая обеспечивает физический контакт состыкованных ОВ. Для защиты торца ОВ от повреждений при прокручивании в момент установки применяется боковой ключ, входящий в паз розетки, вилка на розетке фиксируется подпружиненным байонетным замком.

Соединители типа SC

Основным недостатком FC- и ST-коннекторов считается необходимость вращательного движения при подключении к розетке соединителя. Для преодоления этого недостатка, препятствующего более плотному монтажу на лицевой панели, разработан коннектор типа SC. Конструктивно он представляет собой прямоугольный в сечении пластмассовый корпус; коннектор имеет механическую развязку наконечника, фиксирующего элемента и кабеля.

Соединительные розетки

Розетка ST обеспечивает физический контакт соединяемых STконнекторов. Многомодовая розетка ST содержит бронзовый разрезной центратор, а одномодовая − керамический центратор. Соединительные розетки FC выпускаются с квадратным фланцем (тип NTT) и гайкой (D- тип) для компактного монтажа. Соединительная розетка SC имеет полимерный корпус. Крепление на панели осуществляется металлическим фиксатором-защелкой, реже винтами через отверстия фланца (см. рис. 6.18).

Переходные розетки

Данные виды розеток используются для соединения шнуров различных стандартов и сопряжения аппаратуры различных производителей с ранее проложенными сетями, если их стандарты не совпадают (см. рис. 6.18).

162

Введение в радиооптику

Рисунок 6.18 − Соединительные (ST и MT-RJ) и переходные розетки

Выпускаются переходные розетки всех наиболее часто используемых стандартов: FC-ST, FC-SC,SC-ST,SC-D-ST. Основные характеристики стандарта ST, FC, SC приведены в табл. 6.6.

Таблица 6.6

Сокращения: SMF – одномодовое ОВ, MMF – многомодовое ОВ, D – диаметр сердцевины SMF (8 – 10 мкм), FLAT – плоский торец, PC – сферический

163

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

торец, SPC – сферический торец, UPC – сферический торец, APC – угловой сферический торец

Оптические кроссы

Оптические кроссы (рис. 6.19) используются для коммуникации многожильного ОК, соединительных шнуров и электронного оборудования. Корпус кросса представляет собой настенную или рэковую коробку, устанавливаемую в стойку или шкаф стандарта 19”, 23” или метрический. Кроссы настенные или рэковые предназначены для использования внутри офисных и производственных помещений.

Рисунок 6.19 − Кроссы настенные или рэковые

Кроссы комплектуются взаимозаменяемыми модулями в различных стандартах: SC, ST, LC, FC.

Соединительные герметичные муфты

При прокладке протяженной линии связи на один линейный участок между приемопередающим оборудованием может приходиться от единиц до нескольких десятков строительных длин ВОК. В местах сопряжения кусков ОК обычно производится сварка ОВ с последующей надежной защитой мест сварки. Для этой цели используются соединительные муфты, основная задача которых − герметично на длительной срок закрыть область сваренных волокон. Пластмассовые муфты тупикового типа многократного применения МТОК 96Т-О1-IV и МТОК 96Т1- О1-IV (рис.6.20) предназначены для прямого и разветвительного сращивания магистральных и внутризовоных ОК с различными бронепокровами и предназначены для укладки в грунте, на дне рек, океанов, для подвески на опоры вдоль линии электропередач и т.д.

Рисунок 6.20 − Муфты типа МТОК 96Т (Т1)-О1-IV и МОГ-М-01-IV

164

Введение в радиооптику

Сращивание оптических волокон

Сварка. Для сварки используется дорогостоящее оборудование, процесс контролируется либо под микроскопом, либо на ЖК-дисплее через ТВ-камеру. Это сращивание является лучшим. Волокна очищаются, скалываются и укладываются в монтажный блок.

При сильном увеличении ОВ визуально центруются, а затем свариваются дуговым разрядом. Потери в этом соединении составляют

0,1...0,2 дБ.

Механический сплайс (МС). При разрыве волокон ВОК, например в полевых условиях, можно восстановить повреждения, не прибегая к сварке ОВ. МС − это прецизионное, простое в использовании, недорогое устройство для быстрой стыковки обнаженных многомодовых и одномодовых ОВ в покрытии с диаметром 250 мкм − 1 мм посредством специальных механических зажимов. МС предназначен для многоразового (организация временных соединений) или одноразового (организация постоянного соединения) использования. Стеклянный капилляр, заполненный иммерсионным гелем, обеспечивает вносимые потери < 0,2 дБ и обратные потери < −50 дБ. По надежности и по вносимым потерям механический сплайс уступает сварному соединению.

Оптические изоляторы

Оптический сигнал, распространяясь по ОВ, отражается от различных неоднородностей (в особенности от мест сухого стыка), образуемых оптическими соединителями. В результате такого отражения часть энергии возвращается обратно. Если в качестве источников излучения используются лазерные диоды, то отраженный сигнал, попадая в резонатор лазера, способен индуцировано усиливаться, приводя к паразитному сигналу. Особенно это не желательно, когда источник излучения генерирует цифровой широкополосный сигнал (>100 МГц), или аналоговый широкополосный. В сложных широкополосных сетях, когда имеется множество подключений коннекторов и другие оптические устройства, такая обратная связь усиливается и приводит к росту уровня шума источника излучения. Наиболее кардинальный способ подавления обратного потока основан на использовании оптических изоляторов, которые пропускают света в прямом направлении (практически без потерь) и не пропускают (ослабляют) в обратном направлении. Такие устройства сегодня являются ключевым элементом многих лазерных систем, оптических усилителей, а также используются в качестве отдельного элемента оптической линии связи.

В основе работы оптического изолятора лежит эффект Фарадея − вращение плоскости поляризации света оптически неактивными вещест-

165

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

вами под действием продольного МП.

Угол поворота плоскости поляризации равен θ = VBZd, где V − постоянная Верде (Ver-det) − удельное магнитное вращение, зависящее от природы вещества, температуры и длины волны света, BZ − продольная составляющая индукции МП, d − длина пути света в веществе − размер ячейки Фарадея. Направление вращения зависит только от природы вещества и направления МП, а вращение плоскости поляризации обусловлено возникновением асимметрии оптических свойств вещества под действием поля. Зависимость вращения плоскости поляризации от длины волны света называется вращательной дисперсией. В первом приближении в области достаточно малых длин волн, удаленных от полос поглощения света веществом, угол вращения плоскости поляризации зависит от длины волны света λ по закону Био: θ ~ λ2.

Оптический изолятор состоит из трех элементов: поляризатора (входного), ячейки Фарадея и анализатора (выходного поляризатора). Параметры ячейки Фарадея выбираются так, чтобы ось поляризации света, проходящего через нее, разворачивалась на 45°. Под таким же углом устанавливаются оси поляризаторов.

Входной полезный сигнал, проходя через поляризатор, оставляет свою вертикальную составляющую без изменения, устраняя горизонтальную составляющую. Далее вертикально поляризованный свет проходит через ячейку Фарадея, разворачивает плоскость поляризации на 45° и беспрепятственно проходит через анализатор.

При распространении света в обратном направлении он также поляризуется в плоскости анализатора, затем, проходя через ячейку Фарадея, становится горизонтально поляризованным. Таким образом, оси поляризации света и поляризатора составляют угол 90°, поэтому поляризатор не пропускает обратное излучение.

Оптические изоляторы часто интегрируются в лазерный передающий модуль. Высокая эффективность такого решения связана с тем, что выходной оптический сигнал от лазерного светодиода имеет эллиптическую поляризацию. Оптический изолятор устанавливается так, чтобы плоскость поляризации входного анализатора совпадала с плоскостью поляризации максимальной составляющей выходного сигнала от лазерного светодиода.

Оптические изоляторы также являются неотъемлемой частью оптических усилителей на примесном ОВ. В этом случае устанавливается пара оптических изоляторов − один на входе, другой на выходе оптического усилителя. Поскольку оптические усилители, как правило, осуществляют усиление мультиплексного оптического сигнала, то необходимо, чтобы оптические изоляторы имели высокие характеристики во всем

166

Введение в радиооптику

диапазоне длин волн, представленных в оптическом сигнале. Для этой цели используются специальные широкозонные оптические изоляторы.

Аттенюаторы используются в ВОЛС с целью уменьшения мощности входного оптического сигнала. Такая необходимость может возникнуть как при передаче цифрового, так и аналогового сигнала. При цифровой передаче большой уровень способен привести к насыщению приемного оптоэлектронного модуля. При передаче аналогового сигнала чрезмерно высокий уровень приводит к нелинейным искажениям и ухудшению изображения. По принципу действия аттенюаторы бывают переменные и фиксированные (рис. 6.21).

Переменные аттенюаторы допускают регулировку величины затухания в пределах 0 − 20 дБ для многомодовых и одномодовых ОВ с точностью установки величины затухания 0,5 дБ. Регулировка достигается путем изменения величины воздушного зазора.

Фиксированные аттенюаторы имеют установленное изготовителем значение затухания, величина которого может составлять 0, 5, 10, 15 или 20 дБ. Затухание может вноситься посредством воздушного зазора фиксированной величины, или посредством специального поглощающего фильтра, встроенного в аттенюатор. В последнем случае значительно уменьшается обратное отражение, поскольку фильтр имеет близкий к волокну показатель преломления, что сильно уменьшает обратное френелевское рассеяние.

Рисунок 6.21 − Аттенюаторы – розетки (фиксированные и переменные) и переменные аттенюатор FM-FC-Var

Оптические переключатели осуществляют механическую (без оптоэлектронного преобразования) коммутацию одного или нескольких оптических сигналов, переходящих из одних ОВ в другие. При этом управление процессом переключения может быть ручное (тумблером), или электрическое (электрическим потенциалом), Последний тип переключателей более распространен. Основная область применения − в составе оборудования для тестирования и мониторинга ВОЛС, а также в

167

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

составе системы, обеспечивающей повышенную надежность (как, например, оптический обходной переключатель в технологии FDDI). Реализации отличаются функциональными возможностями: количеством входных и выходных волокон-полюсов и типом ОВ (многомодовое или одномодовое), возможностью неблокирующей коммутации сигналов, а также техническими характеристиками, из которых наиболее важные: вносимые потери, обратное отражение, время срабатывания, влияние параметров окружающей среды, наработка на отказ. Разные инженерные технологии используются при коммутации, например, поворотные бипризмы, поворотные зеркала или подвижные волокна. Оптические переключатели являются изотропными устройствами - вносимые потери не зависят от направления распространения сигнала.

Различают несколько типов оптических переключателей:

−переключатель 1×N − имеет один входной полюс, сигнал из которого перенаправляется в один из N выходных, рис. 6.22 (а);

−дуплексный переключатель 2×N − имеет два входных полюса, сигналы из которых могут перенаправляться в выходные полюсы с ша-

гом 2, рис. 6.22 (б);

−блокирующий переключатель 2×N − имеет два входных полюса, но только один сигнал из двух входных можно передать в выходной

полюс − оставшийся сигнал не выходит наружу, рис. 6.22 (в);

− неблокирующий переключатель 2×N – имеет два входных полюса, сигналы из которых могут перенаправляться в выходные полюсы с шагом 1, рис. 6.22 (г).

Рисунок 6.22 − Типы оптических переключателей

Количество выходных полюсов в зависимости от модели может быть от двух до нескольких десятков. Из-за наличия механического элемента с ростом количества полюсов время срабатывания оптического переключателя, управляемого электрическим потенциалом, возрастает и может варьироваться в пределах от 25 мс до 500 мс.

В технологии FDDI используется 8-полюсный (4 входных и 4 выходных) оптический обходной переключатель OBS (optical bypass switch).

168

Введение в радиооптику

Устройства распределения и коммутации

Когда линейный ВОК (наружной прокладки) заходит внутрь здания, его, как правило, не подключают непосредственно к приемопередающему оборудованию (оптическим трансиверам), а предварительно выполняется терминирование ОВ.

Терминированием называется оконцевание волокон ВОК оптическими коннекторами и последующее подключение оконцованных ОВ к переходным розеткам, закрепленным на оптической распределительной панели/коробке, для обеспечения дальнейшей связи с сетевым оборудованием через оптические соединительные шнуры.

Различают три способа терминирования ВОК: непосредственное терминирование; терминирование через сварку с заранее подготовленными, оконцованными с одной стороны волокнами (pig-tail-ами); терминирование через сварку с волокнами станционного ВОК.

Непосредственное терминирование подразумевает оконцевание волокон линейного ВОК коннекторами, которые затем подключаются к переходным розеткам, установленным на специальной оптической пане-

ли, рис. 6.23(а).

Рисунок 6.23 − Способы терминирования ОВ

169

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

Такое непосредственное оконцевание удобней производить в лабораторных или заводских условиях.

Терминирование через сварку с pig-taii-ами основано на сварке ОВ линейного ВОК с ОВ заранее подготовленных так называемых pig- taii-ов, Pig-tail − это оптическое ОВ в буферном покрытии длиной обычно до одного метра, оконцованное соединителем с одной стороны. Посредством соединителя ОВ подключается к переходным розеткам оптической панели, рис. 6.23 (б). В этом способе обычно сплайс пластины, в которые укладывают сваренные ОВ, размещаются внутри той же панели, на которой устанавливаются переходные розетки.

Терминирование через сварку с волокнами станционного ВОК выполняется на оптических узлах с большой концентрацией ОВ. В таких случаях под размещение сплайс пластин может быть выделено отдельное устройство (сплайс-панель, или сплайс-шкаф). ОВ линейного ВОК сваривают с ОВ притерминированного оптического кабеля для внутренней прокладки (станционного ВОК), рис. 6.23 (в). Длина станционного ВОК может варьироваться от нескольких метров до нескольких километров. Одно из главных требований, которое предъявляется к станционному ВОК, − это отсутствие галогеносодержащих соединений в составе оболочки кабеля.

В здание может заходить несколько линейных ВОК. В этом случае, наряду с задачей подключения приемопередающего оборудования, может стоять задача внутренней коммутации (кросс-коммутации) ОВ линейных ВОК.

Оптический узел является тем центром, где осуществляются разнообразные сопряжения ОВ внешних и внутренних ВОК. Основные требования, которые предъявляются к оптическому узлу, − это его надежность и гибкость. По масштабу выполняемых функций оптические узлы можно разделить на: оптические распределительные устройства; оптические кроссовые устройства.

Оптические распределительные устройства (ОРУ)

ОРУ могут устанавливаться в тех случаях, когда не требуется сложная коммутация ОВ, например на удаленном сетевом узле или в центральном узле с небольшой концентрацией волокон. Как правило, ОРУ используются при построении волоконно-оптических магистралей локальных сетей на предприятиях, или при организации удаленного узла оптической телекоммуникационной системы. По способу терминирования ОВ ОРУ относятся ко второму варианту − терминирование через сварку с pig-tail-ами.

В качестве ОРУ могут выступать: оптические распределительные коробки, оптические распределительные панели, оптические распредели-

170