Оптические волокна для линий связи (стр. 6 )

§ 13. Потери в разъёмных соединениях волокон

       Торцевые поверхности одномодовых волокон в оптических разъёмах имеют сферическую форму с радиусом закругления 10…25 мм для PC разъёмов (PC – Physical Contact) и 5…12 мм для APC - разъемов (APC – Angled Physical Contact). В соединенном состоянии торцы стыкуемых наконечников прижимаются друг к другу с определенным усилием (обычно 8…12 Н). Возникающая при этом эластичная деформация наконечников приводит к появлению оптического контакта (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Схема образования оптического контакта в месте соединения наконечников разъемов РС и АРС.

Две поверхности считаются находящимися в оптическом контакте, если расстояние между ними много меньше длины волны света. При этом, чем меньше расстояние между этими поверхностями, тем меньше будет и величина отраженного от них света. Качество оптического контакта определяется качеством шлифовки и последующей полировки торцевой поверхности волокон. Для PC разъёмов ETSI рекомендует величину коэффициента френелевского отражения от места оптического контакта менее – 35 дБ. Стандартная шлифовка, как правило, обеспечивает – 40 дБ.

Многие поставщики оптических коммутационных шнуров предлагают разъёмы со специальной шлифовкой, обеспечивающие коэффициент отражения менее – 55 дБ. Это так называемые разъёмы Супер - и Ультра-РС. На практике такая шлифовка оказывается бесполезной, так как буквально после нескольких подключений коэффициент отражения увеличивается до величины свойственной обычному РС разъёму. Происходит это из-за неизбежного появления пыли и микроцарапин на торцевых поверхностях разъёмов.

Поэтому, когда требуется коэффициент отражения не хуже  – 55 дБ, разумнее использовать АРС разъемы. В АРС разъёмах нормаль к контактной поверхности наклонена к оси наконечника под углом 8о (рис. 1.15). В такой конструкции коэффициент отражения не превышает – 60 дБ как в соединенном, так и в разъединенном состоянии. В соединенном состоянии типичным является значение от – 70 до – 80 дБ.

Таким образом, в РС и АРС разъёмах только ничтожно малая часть излучения отражается от места соединения торцов волокон. Поэтому потери, вызванные отражением света, пренебрежимо малы. Если пренебречь так же  потерями, возникающими из-за дефектов на торцах волокон, то основной причиной вызывающей потери в месте соединения разъемов является смещение сердцевин соединяемых волокон относительно друг друга вследствие эксцентриситета (неконцентричности) как самих волокон, так и деталей крепления разъёма (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Сложение разных видов неконцентричности в наконечнике.

Оценим допустимую величину смещения сердцевин волокон исходя из того, что потери в разъемах, в соответствии рекомендациями ETSI, не должны превышать 0.5 дБ. Зависимость этих потерь от величины смещения сердцевин d описывается формулой (1.6): αd (дБ) = 4.34 (d/w)2. Учитывая, что диаметр модового поля w ≈ 10 мкм, получаем, что величина смещения сердцевин друг относительно друга должна быть меньше 3.4 мкм.

Потери принято относить к одному определенному разъёму (несмотря на то, измеряемой величиной являются потери в месте соединения двух разъемов). Так можно делать, когда потери в месте соединения разъемов обусловлены только смещением сердцевин волокон, и один разъём при этом образцовый (его также называют материнским или мастер-разъёмом). Образцовый разъем А выделен среди других разъёмов тем, что в нем ось сердцевины волокна совпадает с номинальным центром разъёма (рис. 1.17).

Рис. 1.17. Местоположение сердцевины волокна в наконечниках:  (а) - в типовом (некалиброванном) разъёме и (б) - в образцовом разъеме А.

Все измерения при изготовлении оптических шнуров выполняются только относительно образцового разъёма. Данные именно этих измерений и указываются в каталогах всех производителей, а также на упаковке готовых изделий. Но при использовании оптических шнуров типовой разъём стыкуется не с образцовым разъёмом, а с таким же типовым разъемом (любой с любым). В таких соединениях смещения сердцевин получаются больше почти в 1.5 раза, а потери (в дБ) увеличиваются при этом примерно в 2 раза (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Гистограмма распределения потерь вносимых при соединении типовых (некалиброванных) разъемов (любого с любым).

       Для компенсации негативного влияния эксцентриситета применяются различные способы регулировки (настройки) разъемов. Наибольшее распространение получила технология, в которой используется образцовый разъём Б (со смещенной сердцевиной волокна). В образцовом разъёме Б сердцевина волокна смещена относительно номинального центра (параметры оговорены в спецификации IEC) примерно на половину радиуса зоны возможных отклонений сердцевины (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Местоположение сердцевины волокна в наконечниках: (а) - в некалиброванном разъёме и (б) - в образцовом разъеме Б.

       Потери в месте соединения наконечников стандартного разъёма и образцового разъема Б, как легко видеть из рис. 1.19, будут изменяться при вращении одного из наконечников вокруг продольной оси. Своих экстремальных значений эти потери достигают в положениях, где совпадают азимуты их сердцевин. Таким образом, имеется возможность при изготовлении разъёма настраивать его на минимум потерь.

Настройка разъёма осуществляется следующим образом. Вращая изготовленный наконечник вокруг продольной оси, определяют его положение относительно образцового, при котором достигается наименьший уровень вносимых потерь, после чего наконечник фиксируется в корпусе разъёма. Наконечник может быть вставлен в корпус разъема в одном из четырех положений (со смещением вокруг оси на 90о). В результате сердцевина волокна попадает в строго определенный (относительно корпуса разъёма) квадрант торцевой поверхности (рис. 1.19). При соединении откалиброванных таким способом разъёмов (любого с любым) потери получаются в среднем примерно в два раза меньше (рис. 1.20).

Рис. 1.20. Гистограмма распределения потерь вносимых при соединении калиброванных разъемов (любого с любым).

       Достоинство этого способа настройки разъёмов, кроме эффективного уменьшения потерь (таблица № 1.3), заключается также и в том, что используются стандартные наконечники, и что стоимость таких калиброванных разъёмов увеличивается незначительно. Этот способ настройки специфицирован IEC и поддержан большинством крупных производителей, что обеспечивает совместимость и взаимозаменяемость изготавливаемых ими разъёмов.

Таблица № 1.3. Потери, вносимые при соединении разъёмов.

Параметр	Некалиброванные разъёмы	Калиброванные разъёмы
Потери при соединении с образцовым разъёмом, дБ.	Среднее 94 % 97 %	0.20 < 0.30 < 0.40	Среднее 95 % 99 %	0.14 < 0.30 < 0.40
Потери при соединении “любой с любым”, дБ.	Среднее 60 % 85 % Макс	0.30 < 0.30 < 0.50 1.2	Среднее 94 % 98 % Макс	0.15 < 0.30 < 0.40 0.71

       В настоящее время на телекоммуникационных сетях в Европе наиболее часто применяются некалиброванные разъемы со специфицированным значением вносимых потерь (относительно образцового разъёма) не более 0.5 дБ. Однако поскольку с ростом числа телекоммуникационных сетей возрастает и количество точек соединений, то для снижения величины полных потерь все чаще применяются калиброванные разъёмы.

§ 14. Погрешности при измерении потерь с помощью рефлектометра

       Показания рефлектометра пропорциональны десятичному логарифму отношения мощности импульса Pz, рассеянного назад на расстоянии z от начала линии, к мощности импульса Pо, рассеянного назад в начале линии. Это отношение зависит не только от коэффициента пропускания линии Т(z), но и от величин коэффициентов рассеяния Sо - в начале линии и Sz – на расстоянии z от начала линии:

                               Pz/Pо = Т2(z) (Sz/Sо).  (1.8)

       Двойка в показателе степени коэффициента пропускания возникает из-за того, что свет проходит через участок линии длиной z дважды: в качестве прямой волны и в качестве обратной (рассеянной назад) волны. Поэтому для того, чтобы рефлектометр показывал величину потерь непосредственно в децибелах

α(z) = - 10 log(T(z)),  (1.9)

в его логарифмической шкале используется в два раза меньший коэффициент. С помощью (1.8) и (1.9) получаем

                       5 log(Pо/Pz) = α(z) + 5 log(So/Sz).  (1.10)

       Таким образом, показания рефлектометра оказываются пропорциональными величине потерь в линии (измеряемых в дБ) и логарифму отношения коэффициентов рассеяния в точке z = const и в точке z = 0. Следовательно, показания рефлектометра будут изменяться не только из-за изменения величины потерь в линии, но и из-за изменения коэффициента рассеяния. Появление этой систематической ошибки обусловлено тем, что с помощью рефлектометра потери измеряются не прямо по отношению прошедшей через линию мощности к мощности на входе в линию, а косвенно по отношению мощностей, рассеянных назад в начале и в конце линии.

       Так, если коэффициент рассеяния постоянен вдоль линии (Sz = Sо), то log(Sz/Sо) = 0, и показания рефлектометра будут прямо пропорциональны величине потерь в линии (в дБ). Однако в общем случае коэффициент рассеяния не постоянен вдоль линии (Sz ≠ Sо), и log(Sz/Sо) ≠ 0, и, следовательно, вариации коэффициента рассеяния приводят к появлению систематической ошибки.

Вариации коэффициента рассеяния возникают в основном из-за вариаций диаметра модового пятна, так как коэффициент рассеяния обратно пропорционален диаметру модового пятна. Такая зависимость коэффициента рассеяния обусловлена тем, что числовая апертура волокна NA обратно пропорциональна диаметру модового пятна (выражение 1.2). При этом, чем меньше диаметр модового пятна, тем больше апертура волокна, и тем большая доля мощности претерпевшей релеевское рассеяние в волокне (в полный телесный угол 4π) попадет назад в моду волокна.