Соединение оптических волокон

Общие положения

Используемые в настоящее время физические соединения оптических волокон можно разделить на две основные категории: неразъёмные и разъёмные.

Известно, что одним из многочисленных преимуществ ВОЛС является большая (до 250 км) длина регенерационных участков, позволяющая практически на всех оптических кабельных магистралях обходиться без НРП, и, следовательно, не включать в состав аппаратурного комплекса ВОЛС устройства дистанционного электропитания и телеконтроля промежуточных станций. Значительно упрощается и процесс обслуживания линии. Однако, строительные длины оптических кабелей не превышают нескольких километров. На протяжении линии неизбежно приходится организовывать до нескольких десятков неразъёмных соединений. Чтобы обеспечить работу таких соединений, необходимо помимо непосредственного соединения волокон обеспечить механическую и климатическую защиту мест соединений. Для монтажа волоконно-оптических кабелей требуются специальные муфты, вводно-кабельные устройства и другие узлы линейно-кабельных сооружений.

В составе станционного оборудования всё большее распространение получают волоконно-оптические межагрегатные соединения, как между стативами, так и между блоками в составе стативов. В аппаратуре СЦИ единственным способом обеспечить качественную связь между мультиплексорами СТМ-4, СТМ-16 и СТМ-64 является использование станционных, как правило, одноволоконных соединительных кабелей (часто в технической литературе встречается термин «патчкорд»). Такими же кабелями можно, в случае необходимости, организовывать соединения мультиплексоров СТМ-1 и ввод в аппаратуру СЦИ компонентных цифровых потоков.

Вообще, волоконно-оптическая техника всё шире начинает использоваться и в сетях ПЦИ. Можно утверждать, что рано или поздно нам придётся столкнуться с передачей оптического сигнала со скоростями 2048 кбит/с, 8448 кбит/с и 34368 кбит/с. Межагрегатные соединения, как правило, бывают разъёмными. Их длина редко превосходит несколько метров. Такие же разъёмные соединения используются для подключения всевозможных измерительных приборов к контрольным точкам кабельных линий или аппаратных комплексов сетевых узлов. Для коммутации оптических линий на узлах используются специальные оптические кроссы, соединения волокон в которых могут быть как неразъёмными, так и разъёмными.

Естественно, что для обеспечения высокого качества передачи сигналов необходимо, в свою очередь, обеспечить высокое качество многочисленных разъёмных и неразъёмных соединений. Затухание каждого оптического соединения нормируется не превышающим 0,1 дБ. Величина этого затухания определяется целым рядом факторов. Кроме того, любая неоднородность кабельной линии в месте соединения волокон вызовёт появление отражённого сигнала, что также существенно повлияет на качество передачи.

Для обеспечения высокого качества соединений необходимо учитывать основные физические характеристики оптического волокна. Строение оптического волокна подробно рассматривалось в предыдущей главе. Процесс соединения волокон заключается в стыковке их серцевин и оболочек, при этом необходимо обеспечить минимальное затухание стыков серцевин, минимальное отражение оптического сигнала от места соединения, целостность оболочек (иначе будет нарушено распространение сигнала по волокну). Необходимо также обеспечить надёжную механическую и климатическую защиту места соединения, восстановив покрытие или заменив его корпусом разъёма или термоусадочной трубкой.
Конструкция многомодовых и одномодовых оптических волокон показана на рис. 11. и 12.

Основные конструктивные характеристики оптических волокон в упрощённом виде сведены в табл. 2.

Таблица 2

Существенными факторами, вносящими вклад в увеличение затухания соединения волокон, являются: несовпадение диаметра сердцевины (рис. 13), несовпадение диаметра оболочки (рис. 14), несоосность сердцевины и оболочки (рис. 15), неконцентричность сердцевин волокон (рис. 16), а также несовпадение числовой апертуры (рис. 17).

Рис. 13: Несовпадение диаметра сердцевины.

Рис. 14: Несовпадение диаметра оболочки.

Рис. 15: Эксцентриситет сердцевины.

Рис. 16: Неконцентричность сердцевины.

Различные оптические волокна имеют различную числовую апертуру. Она определяет допустимый телесный угол для распространения излучения в волокне (на рис. 16 он обозначен, как fi и fa).

Рис. 17: Несовпадение числовой апертуры.

Известно, что в ВОЛС оптический сигнал передается по сердцевине волокна, поэтому очень важно обеспечить минимальное затухание места соединения сердцевин. Приведённая ниже формула (7) величины затухания, вносимого соединением, может быть использована для того, чтобы уяснить, как влияет разность диаметров и несовпадение осей (эксцентриситет) волокон на величину затухания места сварки. Надо предупредить читателя, что эта формула имеет чисто теоретический характер, и в ней не учитываются такие существенные факторы, влияющие на затухание, как: качество скола торцов волокон при их подготовке к соединению, содержание пыли в воздухе, несовпадение числовой апертуры, неконцентричность сердцевин двух волокон. Формула базируется на схеме процесса сведения волокон, показанной на рис. 18.

Q = 10lgPвых/ Pвх = 10lg{ [2AB/(A2 + B2)]2·exp [-2d2/(A2 + B2)] (7)

Где Q – затухание места соединения,
Pвых – мощность сигнала после соединения,
Pвх - мощность сигнала до соединения,
A и B – диаметры соединяемых волокон,
d – эксцентриситет соединяемых волокон.

Модовый диаметр(или диаметр серцевины) А (мкм) Модовый диаметр В (мкм)
Сдвиг осей серцевин волокон (мкм)
Ввод оптического сигнала Выход оптического сигнала

Рис. 18: Схема соединения волокон.

Итак, несовпадение оптических осей серцевин волокон А и В, так же, как и несовпадение их диаметров является одной из причин возникновения затухания соединения. Поэтому при использовании одномодовых волокон необходимо иметь информацию о модовом поле, которую завод-изготовитель кабеля может представить в соответствующей спецификации
Естественно, что при соединениях невозможно получить идеально центрированные сердцевины, поскольку в производстве всегда имеет место определенный допуск на геометрические размеры волокна. В настоящее время технология производства волокон прекрасно отлажена, что позволяет обеспечить эксцентриситет сердцевины менее 0,5мкм. У волокон, выпущенных ранее, эта величина может достигать 1мкм. Такие величины при строгом соблюдении технологии образования как разъёмных, так и неразъёмных соединений позволяют получить вполне удовлетворительные качественные показатели волоконной линии.

Сварка оптических волокон

Основным (если не единственным) способом организации неразъёмных соединений оптических волокон является сварка. Процесс сварки заключается в точном сведении свариваемых волокон, обеспечивающим совпадение их оптических осей, разогреве стыкуемых концов волокон до температуры плавления и последующем их соединении. В результате этого процесса волокна монолитно соединяются. Место соединения не должно вносить в волоконно-оптическую линию избыточное затухание или создавать неоднородность, вызывающую появление отражённого оптического сигнала.

Подготовка волокна к сварке

Процесс сварки оптических волокон требует соблюдения целого ряда достаточно жёстких требований, как к самому процессу, так и к качеству подготовленных к соединению оптических волокон. Необходимым условием обеспечения нормированного качества сварных соединений является соблюдение жёстких требований к чистоте соединяемых поверхностей, содержанию в воздухе пыли и паров воды, работе в заданном интервале температур окружающей среды.

Достаточно сложным процессом, с которого начинается программа подготовки волокон к соединению, является разделка кабеля. Дело в том, что само оптическое волокно, ввиду его малой толщины и непрочности, требует надёжной механической защиты. Волоконно-оптические кабели помимо защитной сплошной полиэтиленовой оболочки имеют броню, выполненную или из стальных проводов, или из кевларового чулка, разрезать который, как известно, зачастую ещё сложнее, чем перекусить провод из легированной стали. Чтобы предохранить кабель от растяжения, его снабжают центральным стальным или кевларовым тросом (в крайнем случае, нейлоновым шнуром). Перекусить такой трос или взрезать оболочку, конечно, можно и обычными слесарными инструментами, но это и долго, и инструментов хватит не надолго. Каждое из входящих в кабель волокон дополнительно защищается полиэтиленовым покрытием, расположенным поверх оболочки волокна (рис. 19).

1. Центральный силовой элемент
2. Оптический модуль
3. Оптическое волокно
4. Гидрофобный заполнитель
5. Бандажная лента
6. Внутренняя оболочка
7. Водоблокирующий элемент
8. Броня
9. Внешняя оболочка

Рис. 19: Пример конструкции волоконно-оптического кабеля.

Для того, чтобы процесс подготовки занял минимальное время и не приводил к повреждениям волокон, требуется использовать специальный комплект разделочного инструмента, в состав которого должны входить приспособления для вскрытия оболочки кабеля, резки брони и центрального троса и снятия защитного покрытия с волокна.
Затухание, вносимое в местах сварки, в большой степени зависит от качества подготовки волокна, поэтому начальным этапом сварки является тщательная подготовка соединяемых волокон. Волокно должно быть очищено от внешних загрязнений, а торцы волокон должны быть строго перепендикулярны оптическим осям. Для подготовки волокон к сварке используется специальный инструмент (приспособление) получивший название скалывателя.Скалыватель (рис. 20) действует по принципу гильотины, срезая и удаляя загрязнённые и неровные концы волокон.

Рис. 20: Скалыватель оптических волокон.

Очистка волокон от грязи производится путём их промывания высокомолекулярными спиртами при помощи специальных салфеток. Наверное, не лишне напомнить, что использование хорошо всем известного этилового спирта (тем более, его растворов) и взятых имеющихся под рукой случайных салфеток, марли или ветоши может привести к весьма печальным результатам.
В случае необходимости, визуальный контроль волокон может производиться при помощи портативного микроскопа (рис.21).

Рис. 21: Портативный микроскоп.

Для удобства проведения подготовительных операций весь необходимый инструмент, материалы и приспособления собраны в специальной укладке (рис. 22).

Рис. 22: Комплект инструментов и материалов для подготовки волокна к сварке.

Процесс сварки

Главное в процессе сварки – это полученный результат. Результатом является прочное соединение с очень малыми потерями и низким обратным отражением.

Процесс сварки может варьироваться в зависимости от типа применяемого сварочного аппарата. Так, например, в сварочном аппарате типа S176 используется механизм центровки через активизирующуюся сердцевину для центрирования концов волокон и контролируемую электрическую дугу для плавления кварцевого волокна и соединения их торцов.
Поскольку не все волокна одинаковы, они могут плавиться и свариваться при разных температурах. Следовательно, для минимизации потерь на сварке важно, чтобы были правильно выбраны мощность дуги и длительность её горения. Упомянутый выше сварочный аппарат S176 обладает возможностью контроля основных параметров работы дуги, что помогает пользователю правильно выбрать эти параметры.

Многие сварочные аппараты имеют механизм автоматического выравнивания сердцевин волокон путём наблюдения за волокнами при помощи оптической системы (микроскопа), соединённого с видеопроцессором, который обрабатывает результаты наблюдения и формирует команды управления механизмом сведения волокон. Это позволяет минимизировать несовпадение оптических осей волокон и обеспечить требуемое качество сварного соединения.