Разъемные соединения оптических волокон

При всех своих несомненных достоинствах сварные соединения не могут обеспечить оперативную реконфигурацию волоконно-оптических линий. В первую очередь это относится к межагрегатным соединениям на узлах связи, а также к соединительным шнурам контрольно-измерительного оборудования. Они базируются на разъёмных соединителях, обеспечивающих многократное соединение и разъёдинение оптических волокон. Разъёмные соединения, как временная мера, могут также применяться при оперативном устранении неисправностей ВОЛС, когда невозможно обеспечить быструю и качественную сварку волокон.

К разъёмным соединителям оптических волокон предъявляются весьма противоречивые требования. С одной стороны, они должны обеспечивать минимальные потери в точках соединения, для чего соосное соединение отполированных торцов оптических волокон производится с высокой точностью (например, для одномодовых волокон - до десятых долей микрона). С другой стороны, соединения должны быть механически прочными, многократно и быстро собираться и разбираться, сохраняя при этом заданную величину вносимого затухания.
В общем виде оптический соединитель состоит из двух разъёмов или, как часто их называют, коннекторов.

Их основным элементом являются световоды. Прецезионные наконечники световодов представляют собой цилиндры из диоксида циркония, которые симметрично устанавливаются в плавающие центраторы, которые, в свою очередь, устанавливаются в корпус коннектора. Центраторы представляют собой разрезные втулки, которые для большинства типов соединителей одномодовых волокон выполняются из высокопрочной керамики, а для соединителей многомодовых волокон – из бронзы. Коннекторы могут быть однотипными или вообще находиться в одном корпусе, как, например, в соединителе FibrlockTM 11 (рис. 32), но чаще всего состоят из приборной и ответной части, подобно электрическим разъёмам. Соединители фиксируются при помощи байонетных, резьбовых или замковых соединений. Корпуса могут быть как металлическими, так и пластмассовыми.

Рис. 32: Соединитель оптических волокон FibrlockTM11.

В настоящее время на сетях связи широко применяются оптические соединители типов FC, ST и SC. В технической литературе они часто называются соединителями первого поколения. Ко второму поколению принято относить соединители типов LC и MT-RJ. (Рис. 33). Что же обозначают эти аббревиатуры?

Рис. 33: Соединители оптических волокон FC, ST, SC, LC и MT-RJ.

Соединители FC имеют резьбовое соединение приборной и ответной частей, ST – байонетное, а SC - замковое, причём SC выполняется в пластмассовом корпусе, а FC и ST – в металлическом. Диаметр наконечников равен 2,5 мм. Хвостовики и заглушки соединителей всех перечисленных типов пластмассовые. У разъёмов SC и FC подпружиненный наконечник имеет возможность продольного перемещения в корпусе коннектора. Два разъёма SC могут соединяться вместе для образования дуплексной пары. Конструкция указанных разъёмов показана на рис. 34, 35 и 36.
Соединители LC и MT-RJ принято относить к малогабаритным, хотя их размеры не намного меньше, чем у соединителей первого поколения.

Соединитель LC построен по уже хорошо отработанной схеме: пластмассовые коннекторы с подпружиненными керамическими наконечниками диаметром 1,25 мм состыкованы в разрезном центраторе полимерной розетки. Фиксация коннекторов в корпусе осуществляется типовой защёлкой RJ. Два коннектора могут быть собраны в дуплексную пару аналогично соединителям SC.

Рис. 34: Конструкция соединителя оптических волокон ST.

Рис. 35: Конструкция соединителя оптических волокон SC.

Рис. 36: Конструкция соединителя оптических волокон FC.

У соединителей перечисленных выше типов основной причиной возникновения потерь является несоосность волокон. Величина потерь не превышает 0,2 дБ. Соединители отличаются достаточно высокой стойкостью к воздействию климатических и механических факторов. Рабочий диапазон температур от -60°С до +85°С, повышение влажности до 100% при температуре +40°С по сведениям фирм-дилеров не влияет на величину потерь. По этим же сведениям соединители выдерживают одиночные удары с ускорением до 1000g и вибрационные нагрузки с частотой от 10 Гц до 1250 Гц. Если у металлических разъёмов при этом фиксировались резонансные частоты, на которых наблюдался пик потерь, то у платмассовых разъёмов резонанса не наблюдалось.

Соединитель MT-RJ представляет собой дуплексный несимметричный разъём. Один из коннекторов имеет направляющие штыри, другой – ответные отверстия, между которыми располагаются торцы волокон. Несомненным достоинством этого соединителя является его низкая стоимость, а недостатком - несколько меньшие показатели надёжности и более высокие, чем у соединителей других типов, оптические потери. Это можно объяснить менее точным совпадением оптических осей и возможностью возникновения слишком больших зазоров между торцами волокон вследствие несовершенства механизма фиксации коннекторов.

Итак, можно назвать две основные причины возникновения потерь в соединителях. Это смещение вершины наконечника относительно оси оптического волокна, приводящее к несоосности волокон, и заглубление возвышение волокна над торцевой поверхностью наконечника. На практике мы иногда сталкиваемся с противоположным дефектом - возвышением волокна над торцевой поверхностью наконечника. В этом случае при соединении коннекторов в розетке на торцы волокна может оказываться давление, равное сотням или даже тысячам атмосфер. Пока операторы связи и изготовители волоконно-оптических компонент ещё не набрали достаточно статистических данных по надёжности разъёмных соединений, но считается, что повышение давления на торцы волокон неизбежно рано или поздно приведёт к возникновению дефекта соединения.

Если соединитель оптических волокон не предназначен для многократного оперативного разъёдинения и соединения, то упомянутые выше трудности обеспечения соосности и минимальной величины зазора между волокнами можно в значительной мере исключить, поместив стыкуемые волокна в прозрачный гель с оптическими параметрами, равными параметрам волокна. Такой метод широко используется в стационарном стендовом оборудовании контроля качества кабелей на предприятиях-изготовителях. Этот же принцип лежит в основе конструкции уже названного выше соединителя FibrlockTM 11. Конструкция соединителя и метод фиксации волокна показаны на рис. 37.

Рис.37: Поперечный разрез открытого и опрессованного соединителя FibrlockTM 11.

Соединитель состоит из центрирующего элемента (1), выполненного из сплава алюминия и заполненного инверсионным гелем. Центрирующий элемент помещается в пластмассовый корпус (2). Корпус закрывается пластмассовой крышкой (3). После того, как в соединитель вставляются подготовленные волокна, крышка вдавливается в корпус при помощи специального монтажного инструмента. Движение крышки сжимает лепестки центрирующего элемента и фиксирует волокна в соединителе. Процесс соединения прост, занимает не более 30 сек, но требует, в отличие от других соединителей, использования специального монтажного инструмента, скалывателя волокна и приспособлений для разделки кабеля. Подготовка волокон для такого соединения аналогична подготовке волокон к сварке. Среднее значение потерь на стыке для FibrlockTM 11 не превышает 0,1 дБ. А потери на отражение не превышают 60 дБ при средней рабочей температуре. Усилие на разрыв соединения составляет не менее 0,45 кг и достигает величины 1,5 кг. Рабочий диапазон температур лежит в пределах от -40°С до +80°С. Другими словами, качественные показатели такого соединения приближаются к показателям сварки. Проблематичным является только время эксплуатации подобных соединителей. Поэтому такие соединения, в основном, используются для оперативного восстановления линии при аварии или в процессе пуско-наладочных работ с последующей заменой их сварными соединениями.

Кабельные оптические муфты, кроссы, шкафы

При строительстве, ремонте и эксплуатации ВОЛС очень важно обеспечить надёжную механическую защиту мест соединения волокон. Для этой цели при соединении отрезков кабелей используются специальные оптические муфты, а при вводе кабелей в помещения и их подключении к размещённой там аппаратуре – оптические кроссы и шкафы.

Корпуса муфт выполняются из ударопрочного пластика и состоят из двух половин, так называемых полумуфт. Установочные размеры полумуфт унифицируются, что позволяет, подбирая различные пары полумуфт, в достаточно широких пределах варьировать объем муфты. При соединении полумуфты герметизруются резиновыми прокладками или специальными мастиками. Кабели входят в корпус муфты через вводы, которые герметизируются мастиками или прокладками. Муфты, как правило, не заполняются гидрофобными компаундами, а после монтажа продуваются тёплым сухим воздухом, для чего используются встроенные воздушные клапаны. Внутри муфт предусматривается место для укладки нескольких витков волокон, иначе невозможно организовать ввод этих волокон в сварочный аппарат. Внешний вид типовых волоконно-оптических муфт показан на рис. 38, 39, 40.

Рис. 38: Муфта серии 2178-L/S.

Рис. 39: Муфта серии 2178-L/S.

Рис. 40: Муфта серии 2178-L/S.

Места соединений оптических волокон в помещениях узлов защищаются настенными механическими муфтами ВРЕО (рис. 41). Это так называемые тупиковые муфты прямого соединения, обеспечивающие размещение 48 (ВРЕО-1), 144 (ВРЕО-2) и 288 (ВРЕО-3) сварных сростков. Муфты такого типа обеспечивают полную герметизацию мест соединения, причём для повторного доступа в муфту не требуется специальный монтажный инструмент и расходные герметизирующие материалы.

Рис. 41: Механическая муфта ВРЕО.

Для организации перехода кабель – кабель или кабель – оптические шнуры в помещениях узлов связи используются оптические шкафы.  В шкафах могут устанавливаться либо только кассеты для сростков, как это делается при организации  перехода кабель – кабель, либо кассеты и кроссовая коммутационная панель. Шкафы не герметичны и служат в основном для механической защиты соединений. При построении структурированных кабельных сетей в шкафах предусматривается возможность размещения также плинтов для подключения медных жил кабеля или проводов. Пример такого шкафа показан на рис. 42. шкафы могут, в случае необходимости, устанавливаться не только в специально оборудованных помещениях, но также и в электрощитовых, чердаках, подвалах или даже на открытом воздухе. В этом случае корпус шкафа должен обеспечивать защиту от несанкционированного доступа и климатическую защиту в соответствии со стандартом IP54. Располагающиеся в нём оптические модули имеют дополнительные защитные крышки. Шкафы должны также обеспечивать комбинированное использование оптических и медных кабелей.

Рис. 42: Настенные волоконно-оптические шкафы типа VKA.

На крупных сетевых узлах возникает необходимость ввода и коммутации большого числа оптических волокон. Конструктивно оптические кроссы представляют собой защищённые шкафами полки (рис. 43), на которых крепятся коммутационные панели (рис. 44). На полках размещаются также кассеты для сростков оптических волокон и для размещения запаса длины оптических шнуров. В состав кроссов должны также входить направляющие для контроля радиуса изгиба оптических волокон. Об опасности слишком крутых перегибов оптических кабелей и шнуров уже говорилось выше.

Рис. 43:Оптические кроссы большой ёмкости MODF.

Рис. 44: Панель оптическая коммутационная ВССО.

Все перечисленные выше конструктивные элементы являются основой для построения как специализированных волоконно-оптических, так и структурированных кабельных сетей. Опыт разработки и внедрения систем широкополосного цифрового абонентского доступа показал, что, с одной стороны, приходится максимально приближать к абонентам узлы доступа, содержащие мультиплексоры-демультиплексоры SDH или высших ступеней PDH, а, с другой стороны, сохранять сеть медных абонентских кабелей, идущих от АТС ТфОП, и медные витые пары, входящие к цифровым абонентам сети. Эта задача может быть решена только построением абонентской сети, органично использующей как волоконно-оптические, так и медные линии. Следовательно, все конструктивные элементы сети – кабельные шкафы, боксы, кроссы и т.п. должны обеспечивать прокладку и обслуживание кабелей и проводов различных типов.