Фриман Р.Л. Волоконно-оптические системы связи

Подождите немного. Документ загружается.

2. Сварное соединение.

Самое важное в процедуре формирования неразъемного соединения

(или сращивания) — точно выровнять концы двух волокон перед их

соединением. Хорошая полировка концов волокон и их очистка также важны

при совершении этой процедуры.

3.4.2.1. Механическое соединение

Механическое соединение — небольшой участок механически

соединенного оптоволокна — сросток длиной 6 см и диаметром 1 см. Этот

сросток осуществлен путем точного выравнивания двух концов волокон и их

надежного постоянного механического соединения. Сросток закреплен с

помощью быстросхватывающего покрытия или клеевой обвязки, или с

использованием того и другого. Механические сростки допустимы как для

организации постоянного, так и временного соединения. Вносимые потери за

счет механического соединения обычно выше, чем сварного соединения, и

имеют порядок 0,1 — 0,8 дБ.

Одномодовое волокно, учитывая небольшой размер его сердечника и,

следовательно, малый диаметр поля моды, более чувствительно к ошибкам

выравнивания волокна в месте сращивания. Следовательно, устройства ме-

ханического сращивания, способные обеспечить достижение приемлемых

вносимых потерь в бюджет потерь одномодового волокна, стоят дороже,

требуют больше времени для сращивания и могут потребовать затрат на

капиталовложения, сравнимых с теми, что используются для сварки.

3.4.2.2. Соединение с помощью сварки

Сварное соединение наиболее широко используется для постоянного

соединения одномодового волокна. Получение хорошего сварного сростка

значительно проще сейчас, учитывая постоянный прогресс сварочного

оборудования, процедур и практики сварки, в дополнение к постоянному

улучшению контроля за геометрией волокна в процессе производства. В

результате, типичный диапазон достигаемых вносимых потерь составляет

0,04 - 0,1 дБ как для одномодовых, так и многомодовых волокон.

Качество сварного соединения. Два параметра влияют на качество

сварного соединения: вносимые потери сростка и прочность на растяжение.

Для многомодового волокна, существуют факторы, зависящие от самого

волокна, они включают несовпадение диаметров волокон, несовпадение чис-

ловых апертур, несовпадение показателей преломления и ошибки концент-

ричности сердцевины и оболочки. Концентричность показывает, насколько

точно круг сердцевины вписывается в кольцо окружающей ее оболочки, т.е.

какова величина смещения центров обоих окружностей. Этот тип потерь

может быть уменьшен путем использования техники сращивания, дающей

возможность выровнять положение сердцевины волокон в месте соединения.

Из рис. 3.4 можно оценить основные теоретические потери на сращивание,

вызванные их основными причинами: несовпадением диаметров волокон и

числовых апертур.

Рис. 3.4. Характерные потери на сращивание, вызванные несовпадением ди-

аметров волокон и числовых апертур. (Перепечатано с разрешения

компании Corning, Inc., AN103, [3.4], рис. 1)

Следует отметить, что потери на сращивание являются

направленными, по отношению к этим переменным (т.е. потери имеют место

только, если оптический поток распространяется через сросток в

направлении принимающего волокна, имеющего меньшие диаметр и

апертуру). Потери на сращивание являются аддитивными, т.е. если

сращиваются два многомодовых волокна, демонстрирующие несовпадение

как в диаметрах сердцевины, так и в числовых апертурах, то их вклад в эти

характерные потери является суммой этих двух потерь.

Рис. 3.5. Характерные потери на сращивание для одномодового волокна,

вызванные несовпадением диаметров поля моды. (Перепечатано с раз-

решения компании Corning, Inc., AN103, [3.4], рис. 2, с. 3)

Как видно из рис. 3.5, фактические потери на сращивание (среднее от

потерь по двум направлениям) оказываются практически ненаправленными.

Другими словами, потери, зависящие от параметров волокна и рассмат-

риваемые в плане распространения света через сросток, не зависят от того с

какой стороны сростка распространяется световой поток). Нужно иметь в

виду, что эти потери достаточно малы для тех допусков на несовпадение

MFD, которые декларируют производители. Например, эти потери можно

оценить в худшем случае на уровне 0,04 дБ дополнительных потерь для во-

локна, имеющего MFD, равный 9,3±0,5 мкм, в соответствии со специфика-

цией. Существуют и другие дополнительные факторы, влияющие на меха-

ническое сращивание. Они включают расщепление концов волокна,

загибание волокна на конце и отражение Френеля.

В случае одномодовых волокон без сдвига дисперсии доминирующим

фактором является несовпадение диаметров поля моды (MFD) волокон. На

рис. 3.5 можно оценить вклад в этот вид потерь за счет несовпадения MFD.

Существуют также факторы, сопутствующие процессу сращивания.

Они привносятся методами и процедурами сращивания. К ним относятся

продольные и угловые смещения, загрязнение и деформация сердечника. Их

влияние может быть сведено до минимума за счет использования опытных

техников, оборудования для автоматического выравнивания волокна и

нескольких циклов плавления при работе на более современном

оборудовании.

Подготовка оптического кабеля для сращивания включает следующие

этапы: зачистку волокна, очистку поверхности и формирование концевого

угла волокна.

Оболочку волокна можно удалить различными способами, например,

химически путем, использованием оборудования термической или механи-

ческой зачистки. Для типичного акрилатного покрытия волокна, компания

Corning рекомендует механическую зачистку, как наиболее надежную, быс-

трую, дешевую и создающую четко определенные условия терминирования

оболочки.

Очистка поверхности — очень важный этап. Любые остатки

акрилатного покрытия после зачистки оболочки должны быть удалены с

поверхности зачищенного участка волокна. Необходимо избегать любых

операций по ручной обработке указанного участка волокна до тех пор, пока

процесс сварки не будет окончательно завершен. Это позволит

минимизировать шанс загрязнения волокна пылью или жирными пятнами с

рук, которые могут вызвать дополнительные потери сростка и уменьшение

его прочности на растяжение.

Один из основных моментов, влияющих на качество сростка при одном

цикле плавления, является концевой угол. Поэтому надлежащее формирова-

ние концевого угла является одним из основных шагов в получении прием-

лемого сростка. Требования к концевому углу волокна могут меняться от

пользователя к пользователю и от типа используемого скалывателя. В общем

случае, однако, концевые углы волокна меньшие, чем два градуса, обычно

приводят к приемлемым сварным сросткам. Можно ожидать, что хорошие

типы скалывателей позволяют получить конечные углы волокна величиной в

половину градуса.

Выравнивание волокна. Существуют блоки ручного и автоматического

выравнивания волокна при сварке. Сначала оператор помещает очищенные и

сколотые волокна в блоки выравнивания и/или другие механизмы фиксации

волокна в устройстве сращивания. После этого волокна выравниваются

визуально путем перемещения их в направлении координат X-Y. Визуальное

выравнивание требует поддержания минимального возможного зазора между

волокнами, чтобы уменьшить видимые ошибки, которые возможны при

ручном выравнивании краев волокон, проводимом при увеличении.

В случае автоматического выравнивания, начальное выравнивание со-

стоит лишь в помещении концов волокон в зажимы V-образных канавок.

Блок выравнивания сам выравнивает волокна.

Существует пять возможных альтернатив для окончательного выравни-

вания сердцевины волокон:

1. Мониторинг мощности (светового потока), используя источник и

приемник света.

2. Использование для такого мониторинга оптического рефлектометра

(OTDR).

3. Использование техники локального ввода и обнаружения (LID)

(светового излучения).

4. Использование техники выравнивания профилей.

5. Пассивное выравнивание V-образных канавок.

Техника мониторинга мощности потока основана на оптимальном вы-

равнивании волокон по уровню мощности, переданной через точку сра-

щивания. Источник света при этом подсоединяется к входному концу одного

из волокон, подлежащему сварке. Световой сигнал проходит через контакт

волокон и его уровень считывается на измерителе мощности, под-

соединенном к выходному концу. Выравнивание достигается перемещением

волокон в направлении X-Y до тех пор, пока не будет достигнут максимум

считываемой мощности. При этом способе выравнивания требуются два

человека. Один — считывает показания приемника, тогда как другой (на

некотором удалении от него) — оперирует с волокнами, подлежащими

сварке. Этот метод дает возможность улучшить визуальное выравнивание,

так как позволяет оптимально выровнять сердцевины волокон, а не оболочки.

В методе, описанном выше, вместо измерителя мощности может быть

использован оптический рефлектометр (OTDR). Следует заметить, что вы-

равнивание с использованием OTDR, зависит от возможности обеспечить в

реальном времени отображение уровня мощности для осуществления ее

оптимизации.

Многие устройства сращивания используют систему локального ввода

и обнаружения светового излучения (LID). Это еще одна система выравнива-

ния по уровню мощности, но сформированная на месте сварки. Она исклю-

чает необходимость удаленного (на определенное расстояние) мониторинга

уровня мощности. В этой системе волокна, расположенные по обе стороны

от точки сварки, загибаются вокруг цилиндрических оправок, которые дос-

таточно малы, чтобы позволить осуществить ввод (в точка входа) и вывод (в

точке выхода) светового излучения через оболочку волокон.

Системы выравнивания профиля формируют изображение места

сварки, чтобы дать возможность техникам надлежащим образом выровнять

два волокна для сварки. Коллимированный пучок направляется под прямым

углом к оси свариваемых волокон в место сварки. Это создает образ волокна,

которое должно быть выровнено. Один из специальных типов устройств

выравнивания создает сгенерированный компьютером образ центральной

линии сердечников, к которому компьютер и приводит два волокна перед

тем, как осуществить сварку.

Другая система выравнивания профиля выполняет процедуру выравни-

вания, используя профиль оболочки волокна. Нужно иметь ввиду, что каче-

ство выравнивания при этом во многом зависит от концентричности системы

сердечник-оболочка. При использовании пассивного выравнивания V-

образных канавок само выравнивание волокна является результатом точного

соответствия V-образных канавок, диаметра оболочки волокна и кон-

центричности системы сердцевина-оболочка.

Процедура сварки. Процесс сварки использует электрическую дугу для

разогрева и сваривания. Некоторые техники используют один или несколько

коротких включений тока дуги для того, чтобы удалить любые возможные

загрязнения из волокна в месте сварки перед началом сварки.

Следующим шагом является предварительная сварка. Этот процесс со-

стоит в нагревании волокна для размягчения его соединяемых концов. Пред-

варительная сварка осуществляется для того, чтобы концы волокна были при

температуре, оптимальной в процессе последнего шага сварки, что дает

возможность материалу волокон течь навстречу друг друга вплоть до момен-

та физического контакта. Если температура на стадии предварительной

сварки слишком велика, то может возникнуть излишняя деформация концов

волокон, что в свою очередь приведет к изменению геометрии стекла. Если

же эта температура слишком мала, то может возникнуть механическая

деформация концов волокон. В этом случае может произойти выпучивание

волокна в тот момент, когда на последней стадии сварки на концы волокон

будут действовать силы, стягивающие их.

Оптимальная подготовка к сращиванию включает установку тока дуги

и ее длительности, установку длины зазора и перекрытия шагов предвари-

тельной и окончательной сварки. Эти установки должны быть определены

(экспериментально) на основании результатов последовательности сварок.

Качество сварки включает два основных параметра, как это отмечалось

выше, а именно: прочность волокна на растяжение и потери, вносимые в

месте сварки. Некоторые устройства сращивания имеют возможность осу-

ществлять тесты на растяжение. Опытные техники знают, как осуществить

такое испытание вручную, чтобы простыми средствами оценить прочность

на растяжение.

Потери на сращивание могут быть проконтролированы с помощью уда-

ленного OTDR или измерителя мощности аналогично тому, как это делалось

выше для выравнивания волокна. Точные измерения потерь сростка с

помощью OTDR требуют усредненных двунаправленных измерений. (Раздел

3.4.2.2 основан на документе компании Corning - AN 103 (6/99) [3.4])

3.5. Волоконно-оптические элементы ветвления потока, или

разветвители

3.5.1. Введение

Элементы ветвления потока либо разделяют световой поток на

несколько путей (направлений), либо, наоборот, соединяют несколько

световых потоков в один путь (направление). Некоторые из этих устройств,

которые выполняют эту функцию, называют разветвителями (couplers).

Ниже перечислены различные типы таких устройств и кратко описаны

выполняемые ими функции.

Комбайнер (combiner) — устройство, обычно имеющее один выходной

порт и два или больше входных портов. Он может быть использован для

осуществления как однонаправленных, так и двунаправленных операций.

Сплиттер (splitter) - устройство, имеющее обычно один входной порт

и несколько выходных портов. Он может быть использован для двунаправ-

ленной передачи или для распределения потока на два или большее число

устройств или конечных пользователей.

Древовидный разветвитель (tree coupler) — устройство, принимающее

поток (сигнал) на один вход и распределяющее его несколько выходов и на-

оборот. Как правило оно используется для распределения сигнала от одного

источника ко многим пользователям.

Звездообразный разветвитель (star coupler) - многопортовое

устройство, имеющее, по крайней мере, два входных порта и два или более

выходных портов. Оно может распределять или объединять сигналы с

множества входных портов в один выходной порт, или принимать световой

сигнал и распределять его на множество выходных портов.

Широкополосный разветвитель (или же разветвитель,

нечувствительный к длине волны) — устройство, работающее в двух окнах

прозрачности: 1310 и 1550 нм. Соответственно все аналогичные элементы

ветвления должны иметь возможность работать в этих двух окнах. Другая

желаемая особенность таких элементов ветвления — быть невосприимчивым

к изменению рабочих длин волн внутри одного окна. Другими словами,

вносимые потери должны быть одинаковы для любой длины волны в одном

из окон.

Разветвитель доступа, или ответвитель (tap) — трех или

четырехпортовое устройство ответвления для облегчения осуществления

функций ввода-вывода обычно с малым уровнем оптической мощности. Его

коэффициент ответвления в высшей степени неоднороден. Этот тип

устройств может быть использован в гибридных (медь-волокно — HFC)

кабельных сетях, для мониторинга статуса линии и для мультиплексоров

ввода вывода.

Мультиплексоры-демультиплексоры с разделением по длине волны —

устройства ветвления формально ничем не отличающиеся от разветвителей.

Эти устройства распределяют световой сигнал в зависимости от длины

волны. Мультиплексор используется для передачи нескольких световых

сигналов (каждый на своей длине волны) по одному волокну.

Демультиплексор принимает агрегированный световой сигнал,

распространяющийся по одному волокну и разделяет его на несколько

компонентов в зависимости от длины волны так, что каждая компонента

направляется в отдельное волокно.

Компоненты ветвления светового потока находят широкое применение

в локальных сетях, где средой передачи является оптоволокно. Разветвители

обеспечивают двунаправленную передачу между магистральным ВОК и

станцией ЛВС. Разветвители нашли также применение в широкополосных

беспроводных радиосетях, называемых локальными системами

многоточечного распределения (LMDS). В этих сетях они подключают

оптоволоконную магистраль к узлу LMDS, который содержит мультиплексор

ввода-вывода, устройство управления доступом и радиотерминалы.

Разветвители также широко используются в оптических коммутаторах.

3.5.2. Концепции разветвителей/элементов ветвления

Рассмотрим рис. 3.6. Он показывает, что может произойти, если мы помес-

тим два отрезка оптоволокна, контактирующих бок о бок, в открытый огонь

и превратим их сплавной разветвитель с биконический отводами. Внутри

каждого волокна существует длинная секция ответвлений, затем однородная

секция длины Z, где они сплавляются (свариваются), а затем еще одна секция

ответвлений, с направленным обратно по отношению к первой, кросс-

соединением двух отдельных волокон.

Рис. 3.6. Схематичное изображение сплавного биконического разветвителя.

Обратите внимание, что в области связи длиной Z сердцевины сжаты и

поле «выдавливается в воздушную оболочку».