Что такое ферула оптического коннектора
Оптические разъемы. Виды. Обзор.
В настоящее время существует множество оптических разъемов, отличающихся размерами и формами, методами крепления и фиксации. Выбор типа оптического коннектора зависит от используемого активного оборудования, задач монтажа ВОЛС и требуемой точности.
Оптический разъем представляет собой соединение 2-х оптических соединителей (коннекторов) посредством адаптера. Адаптер имеет сквозное отверстие диаметром, соответствующим диаметру ферулы оптического коннектора, благодаря чему он способен выполнить соединение с высокой точностью.
Ферула оптического коннектора – керамическая часть коннектора цилиндрической формы, в центр которой вклеено оптическое волокно. Наиболее распространенные диаметры ферулы: 2,5 мм (в коннекторах типа FC, SC, ST) и 1,25 мм (в коннекторах типа LC).
Классификация оптических разъемов в целом одинакова и основана на следующих параметрах:
В результате различных комбинаций всех этих типов получается огромное множество модификаций коннекторов и адаптеров. На картинке ниже приведены далеко не все из них.
Что означают все эти буквы?
Типы оптических разъемов
В настоящее время наиболее распространены три типа оптических разъемов: FC, SC и LC.
Разъемы FC, как правило, используются в одномодовых соединениях. Корпус разъема выполнен из никелированной латуни. Резьбовая фиксация позволяет обеспечить надежную защиту от случайных разъединения.
Старый, зарекомендовавший себя стандарт. Обеспечивает отличное качество соединения, особенно FC/UPC, FC/APC.
Однако плохо подходит для плотного расположения разъемов — необходимо пространство для вкручивания/выкручивания.
Более дешевый и удобный, но менее надежный аналог FC. Легко соединяется (защелка), разъемы могут располагаться плотно. Однако пластиковая оболочка может сломаться, а на затухание сигнала и обратные отражения влияют даже прикосновения к коннектору. Данный тип разъемов используется наиболее часто, но не рекомендован на важных магистралях. Тип разъема SC используется как для многомодового волокна, так и одномодового. Диаметр наконечника 2,5 мм, материал — керамика. Корпус коннектора выполнен из пластика. Фиксация коннектора осуществляется поступательным движением с защелкиванием.
Уменьшенный аналог SC. За счет малого размера применяется для кроссовых соединений в офисах, серверных и т.п. — внутри помещений, там где требуется высокая плотность расположения разъемов. Диаметр наконечника разъема 1,25 мм, материал — керамика. Фиксация разъема происходит за счет прижимного механизма — защелки, аналогично разъему типа RJ-45, которая исключает непредвиденное разъединение.
При использовании дуплексных патчкордов возможно соединение коннекторов клипсой. Используется для многомодовых и одномодовых волокон.
Автор разработки этого типа коннектора — ведущий производитель телекоммуникационного оборудования, Lucent Technologies (США) — изначально прогнозировал своему детищу судьбу лидера рынка. В принципе, так оно и есть. Особенно учитывая то, что этот тип разъема относится к соединениям с повышенной плотностью монтажа.
В настоящее время ST коннектор широко не применяется из-за недостатков и возросших потребностей по плотности монтажа. Фиксация коннектора происходит за счет поворота вокруг оси, подобно BNC разъему.
Типы полировки (шлифовки) оптоволоконных разъемов
Шлифовка или полировка оптоволоконных разъемов служит для обеспечения идеально плотного соприкосновения сердечников оптоволокна. Между их поверхностями не должно быть воздуха, так как это ухудшает качество сигнала.
На данный момент используются такие типы полировки, как PC, SPC, UPC и APC.
PC/SPC
PC — Physical Contac. Прародитель всех остальных видов полировки. Разъем, обработанный методом PC (в том числе вручную), представляет собой скругленный наконечник.
В первых вариациях полировки был предусмотрен исключительно плоский вариант коннектора, однако жизнь показала, что плоский вариант дает место воздушным зазорам между световодами. В дальнейшем торцы коннекторов получили небольшое закругление. В класс PC входят заполированные вручную и изготовленные по клеевой технологии коннекторы. Недостаток данной полировки заключается в том, что возникает такое явление как «инфракрасный слой» — в инфракрасном диапазоне происходят негативные изменения на торцевом слое. Данное явление ограничивает применение коннекторов с такой полировкой в высокоскоростных сетях (>1G).
UPC- Ultra Physically Contact. Данная полировка осуществляется уже сложными и дорогими системами управления, в результате чего проблема инфракрасного слоя была устранена а параметры отражения значительно снижены. Это дало возможность коннекторам с данной полировкой применяться в высокоскоростных сетях.
UPC — почти плоский (но не совсем) разъем, который производится с применением высокоточной обработки поверхности. Дает отличные показатели отражательной способности (по сравнению с PC и SPC), поэтому активно применяется в высокоскоростных оптических сетях.
Коннекторы с этим типом разъема чаще всего — синие.
АРС — Angled Physically Contact. На данный момент считается, что наиболее действенным способом снижения энергии отраженного сигнала является полировка под углом 8-12°. Такая полировка поверхности дает самые лучшие результаты. Обратные отражения сигнала практически сразу покидают покидают оптоволокно, и благодаря этому снижаются потери. В таком исполнении отраженный световой сигнал распространяется под большим углом, нежели вводимый в волокно.
Разъемы с полировкой APC применяются в сетях с высокими требованиями к качеству сигнала: передача голосовых, видеоданных. Как пример — кабельное телевидение.
Коннекторы с этим типом разъема — зеленого цвета.
Коннекторы с шлифовкой APC не подходят к разъемам с другой полировкой (PC, SPC, UPC) и вызывают взаимное повреждение. Полировки PC, SPC, UPC взаимно совместимы.
Сравнение формы наконечника и пути отраженного сигнала в разъемах с полировкой UPC и APC:
Сводные данные можно посмотреть в таблице ниже.
Зависимость вносимых потерь от способа полировки
Как видим, полировка UPC (скругленные торцы) и APC (скошенные торцы) — эффективнее всего. Поэтому патчкорды и пигтейлы с этим типом шлифовки чаще всего применяются.
Оптические коннекторы
Оптические коннекторы применяются при оконцовке оптических волокон для их стыковки с пассивным или активным телекоммуникационным оборудованием.
Сегодня на рынке представлено большое количество специализированных оптических коннекторов. В телекоммуникациях и сетях кабельного телевидения наибольшее распространение получили коннекторы типов SC, FC, ST, имеющие стандартные размеры и миниатюрные LC. Оптические коннекторы могут соединять как одно, так и несколько волокон.
Оптический коннектор состоит из корпуса, внутри которого расположен наконечник (ферул) с прецизионным продольным концентрическим каналом. Диаметр канала зависит от того, какое оптическое волокно будет использоваться — одномодовое или многомодовое. Для одномодового волокна диаметр канала ферула равен 125,5-127 мкм, для многомодового 127-130 мкм. Наиболее распространенный внешний диаметр ферула — 2,5 мм, но в оптических коннекторах с малым форм-фактором используются ферулы диаметром 1,25 мм. Стандартно в качестве материала ферула используется диоксид циркония.
Ферул соединяется с оптическим волокном — волокно без оболочки вставляется в канал наконечника и фиксируется, выступающий конец волокна скалывается параллельно с поверхностью торца ферула, сам торец ферула полируется. Далее ферул с волокном совмещается с корпусом разъема. После соединения волокна и ферула, сборка тестируется на наличие дефектов (на микроскопе или интерферометре). Для одномодового волокна точность выравнивания волокна в феруле должна быть выше, чем 0,5 мкм, угловое отклонение не более 5°, а возвратные потери не менее 40 дБ.
Несколько типов коннекторов используются наиболее часто. Каждый из типов требует своего метода сборки, но два этапа процесса сборки являются общими для всех типов коннекторов.
Типы полировок
В случае полировки UPC плоскость торца ферулы перпендикулярна оптическому волноводу волокна, при типе полировки APC — наклонена под углом 8° (Рис.2).
В телекоммуникациях стандартно используются оптические коннекторы с полировкой UPC, обозначаемые синим цветом, реже — APC, обозначаемые зеленым цветом. Оптические коннекторы с полировкой APC не совместимы с другими типами коннекторов, они нашли широкое применение в сетях кабельного телевидения.
Выбор метода полировки зависит от материала наконечника. Если материал наконечника очень твердый, например, керамика, то, как правило, наконечник закруглен в районе торцевого конца, и на него ссылаются как на предварительно закругленный. Мягкие материалы наконечника, такие, как композитные термопластики или стеклокерамика, могут полироваться плоско. Эти материалы интенсивно используются, так как изнашиваются примерно с такой же скоростью, что и оптоволокно, и поддерживают высокое качество физического контакта.
Торцевые концы волокна закругляются, для того, чтобы свет не отражался непосредственно назад к источнику (угол отражения равен углу падения). В случае закругления торца, отражение происходит назад под углом и рассеивается, а волокна соприкасаются наиболее выступающими точками, приходящимися на среднюю часть светонесущей сердцевины волокна. Таким образом, воздушный зазор исключен.
Обратное отражение может быть снижено еще больше, если использовать угловой физический контакт APC (Angled Physically Contact). Угловой контакт отражает свет в оболочку волокна, а не в сердцевину. Возвратные потери оптического коннектора должны быть, как уже говорилось, не меньше 40 дБ.
Еще одна важная характеристика оптического коннектора — количество циклов соединения. Оно определяется числом соединений/разъединений, начиная с которого характеристики коннектора начнут ухудшаться. Это число, как показывает опыт, колеблется от 200 до 600 соединений. В конце жизненного цикла потери на коннекторе не должны увеличиваться более чем на 0,2 дБ.
Требования, предъявляемые к коннекторам:
Типы оптических коннекторов
ST-коннектор
Коннекторы ST были разработаны в середине 80-х годов. Удачная конструкция этих коннекторов обусловила появление на рынке большого числа их аналогов. В настоящее время коннекторы ST получили широкое распространение в оптических подсистемах локальных сетей. Керамический наконечник диаметром 2,5 мм, с выпуклой торцевой поверхностью диаметром 2 мм обеспечивает физический контакт стыкуемых световодов. Для защиты торца волокна от повреждений при прокручивании в момент установки применяется боковой ключ, входящий в паз розетки, вилка на розетке фиксируется байонетным замком.
Коннекторы ST просты и надежны в эксплуатации, легко устанавливаются и относительно бюджетны. Однако, простота конструкции имеет и отрицательные стороны: чувствительность к резким усилиям, прилагаемым к кабелю, а также к значительным вибрационным и ударным нагрузкам, ведь наконечник представляет собой единый узел с корпусом и хвостовиком. Этот недостаток ограничивает применение подобного типа коннекторов на подвижных объектах. Детали коннекторов ST обычно изготавливаются из цинкового сплава с никелированием, реже из пластмассы.
При сборке коннекторов арамидные нити упрочняющей оплетки кабеля укладываются на поверхность задней части корпуса, после чего надвигается и обжимается металлическая гильза. Такая конструкция позволяет в значительной мере снизить вероятность обрыва волокна при выдергивании коннектора. Для дополнительного увеличения механической прочности соединительных шнуров в коннекторах ряда производителей предусматривается обжим на задней части корпуса не только арамидных нитей, но и внешней оболочки миникабеля.
В настоящее время ST-коннектор заменяется на более прогрессивный FC-коннектор.
SC-коннектор
Данный тип коннектора широко применяется как для одномодового, так и для многомодового волокна. SC-коннектор относится к классу коннекторов общего пользования и применяется как в сетях с большой длиной секций, так и в локальных сетях. В устройстве используется механизм сочленения «push-pull».
Коннектор SC базового типа состоит из сборки (вилки), содержащей наконечник, вставленной в корпус разъема, центрирующую наконечник. Оптический SC-коннектор может быть объединен в модуль, состоящий из нескольких разъемов. В этом случае для дуплексного соединения используется одно волокно для передачи в прямом направлении, а другое волокно в обратном. Коннектор имеет ключ, предотвращающий неправильное соединение волокон.
FC-коннектор
Коннекторы типа FC ориентированы, в основном, на применение в одномодовых линиях дальней связи, специализированных системах и сетях кабельного телевидения. Керамический наконечник диаметром 2,5 мм с выпуклой торцевой поверхностью диаметром 2 мм обеспечивает физический контакт стыкуемых световодов. Наконечник изготавливается со строгими допусками на геометрические параметры, что гарантирует низкий уровень потерь и минимум обратных отражений. Для фиксации коннектора FC на розетке используется накидная гайка с резьбой М8 х 0,75. В данной конструкции подпружиненный наконечник жестко не связан с корпусом и хвостовиком, что усложняет и удорожает коннектор, однако такое дополнение окупается повышенной надежностью.
Уровень вносимых потерь коннектора типа FC составляет
ГРУППА КОМПАНИЙ «ПРОИНТЕХ» © 2006–2021
Вся информация опубликованная на сайте принадлежит ООО «Проинтех».
Любая перепечатка полностью или частично запрещена.
Качественные оптоволоконные соединения начинаются с наконечника (ферулы) коннектора
Качество оптического соединения напрямую зависит от используемого при сборке коннектора наконечника (ферулы).
Многое способно повлиять на надежность и производительность оптоволоконного соединения. На общую производительность вашего соединения могут отрицательно влиять разнообразные факторы, начиная с качества используемого оптоволоконного кабеля и заканчивая целостностью самого соединителя. Зачастую качество соединения можно определить по используемому при сборке соединителя наконечнику. Во всем мире по разным стандартам производится большое количество разнообразных соединителей. Как при этом можно быть полностью уверенным в том, что используешь? Поэтому лучше всего начинать оценку с ферулы – одного из первых компонентов, определяющих качество соединения и его функциональные возможности.
Наконечники соединителей изготавливаются из различных материалов. Это может быть пластик, сталь или керамика. Большинство наконечников, как правило, изготавливается из циркониевой керамики, долговечного материала, который хорошо себя зарекомендовал в производстве и позволяет изготавливать наконечники в соответствии со строгими допусками эксплуатационных стандартов. Керамические наконечники изготавливаются с немного отличающимися диаметрами отверстий (внутренними диаметрами). Диаметр внутреннего отверстия наконечника может быть немного больше или немного меньше внешнего диаметра оптического волокна. Такое отклонение размера отверстия призвано обеспечить соответствие возникающим при производстве незначительным изменениям диаметра оболочки оптического волокна. Например, для оптического волокна диаметром 125 мкм доступны наконечники с размерами отверстия от 124 до 127 мкм.
При изготовлении соединителя оптическое волокно, как правило, закрепляется в наконечнике с помощью эпоксидного клея. При этом его конец немного выступает за торцевую поверхность наконечника. Позже для точной посадки кончик оптического волокна обрезается и полируется заподлицо с торцевой поверхностью наконечника. Наконечники должны точно совмещать торцы оптических волокон, поэтому на рабочие характеристики получаемого соединения могут влиять несколько факторов, таких как несоответствие диаметра отверстия наконечника, отсутствие соосности, некруглость наконечника, поперечное смещение, зазор между торцами волокон и угловое смещение.
В целом всё это может показаться незначительным, микроскопическим отклонением. Тем не менее, такие отклонения способны серьезно повлиять на производительность и надежность соединения. Если соединения используются в критически важных приложениях, необходимо осознавать влияние подобных факторов на общую производительность системы.
В этой статье мы обсудим, насколько каждый из указанных факторов важен для обеспечения высокого качества производимых наконечников, и как добиться максимальной производительности оптоволоконных соединений.
Отклонение диаметра отверстия
Волокно с оболочкой
Space between fiber OD and ferrule ID (filled with epoxy)
Пространство между внешней поверхностью волокна и внутренней поверхностью наконечника (заполняется эпоксидным клеем)
Fiber centered within ferrule bore
Волокно находится в центре отверстия наконечника
Fiber OD/ferrule bore mismatch causes core to be improperly located
Несоответствие внешнего диаметра волокна и внутреннего отверстия наконечника может привести к неправильному расположению сердцевины волокна
Примечание: На рисунке не соблюден масштаб. Для наглядности размер некоторых элементов увеличен.
Отклонение диаметра отверстия в наконечнике приводит к тому, что волокно не фиксируется вдоль его центральной оси. Это может привести к появлению смещения при совмещении сердцевин волокон и повышению потерь в соединении.
Диаметр отверстия
Наконечники поставляются с различными диаметрами отверстий. Диаметр зависит от размера того оптического волокна, на которое будет устанавливаться наконечник. Причина отклонения диаметра может, к примеру, заключаться в том, что иногда размер отверстия преднамеренно немного увеличивается относительно «стандартного» диаметра волокна, чтобы учесть отклонения в диаметре его оболочки. Под оболочкой понимается слой из стекла или пластика с более низким показателем преломления, который окружает внутреннюю сердцевину волокна. Благодаря отражению оболочка позволяет удерживать свет в сердцевине волокна и лучше пропускать сигнал.
Наконечники изготавливаются из керамики с использованием процесса литья под давлением. После начального этапа литья в наконечниках просверливается прецизионное отверстие. Затем они полируются для удаления любых следов механической обработки, вмятин или царапин. После измерения диаметра отверстия наконечники сортируются. Наряду с определением волокна с небольшим изменением диаметра оболочки, ключевым этапом подготовки является определение соответствия параметров наконечника определенному приложению и желаемому уровню функционирования.
Для одномодовых кабельных наконечников необходим наиболее жесткий допуск на диаметр отверстия, который позволит обеспечить правильное выравнивание волокон (что продиктовано небольшим размером оптической сердцевины волокна, обычно 9 микрон в диаметре). Даже небольшое несовпадение двух одномодовых оптических волокон может привести к большим потерям при пропускании сигнала. Многомодовое же волокно не так чувствительно к неточному сопряжению из-за большего размера сердцевины (50 микрон, 62,5 микрона или до 100 микрон), поэтому для многомодовых наконечников возможны более щадящие допуски.
Получение отверстия нужного диаметра является только первым шагом к качественной концевой заделке волокна. Нежелательные отклонения диаметра отверстий не позволят зафиксировать оптическое волокно вдоль центральной оси. Это изменение приведет к неправильному сопряжению сердцевин волокон, и, возможно, к увеличению потерь в соединении.
Неправильное расположение внутри наконечника
На рисунке приведен пример типового одномодового оптического волокна с оболочкой (красного цвета) поверх одномодовой сердцевины (синего цвета), которое вставлено в наконечник LC. На рисунке видно, что оптическое волокно неправильно расположено в отверстии наконечника, о чем свидетельствует белый зазор вдоль его края.
Диаметр отверстия зависит от незначительных факторов. Волоконная оптика – это технология, которая требует предельной точности и внимания к деталям. Даже при малейшем отклонении происходит потеря света и, следовательно, данных. Чем больше расхождение, тем ниже пропускная способность соединения.
Компания Ilsintech производит кабельные наконечники для сварных соединителей и для кабельных сборок. По завершении изготовления и обработки различных элементов каждый наконечник подвергается множеству измерений в соответствии с внутренними стандартами. Наконечники классифицируются по размерам (включая диаметр отверстия). Это позволяет определить, где он будет использоваться, или, если наконечник не соответствует рабочим стандартам, принять решение о его утилизации.
Соосность
Соосность – это расположение одного цилиндрического элемента вдоль оси другого цилиндрического элемента. Чтобы свет передавался между двумя оптическими волокнами, наконечники установленных на эти волокна соединителей должны быть выровнены по одной оси. Любое несоответствие (когда сердцевина одного волокна не располагается на одной оси с другим волокном) будет приводить к оптическим потерям.
В волоконной оптике необходимо учитывать три важных момента:
1. Соосность внутреннего отверстия наконечника – совпадают ли оси отверстия и внешней поверхности наконечника?
2. Соосность сердцевины волокна – совпадает ли ось сердцевины волокна с осью оболочки?
3. Соосность волокна внутри наконечника – совпадают ли ось оболочки волокна с осью отверстия в наконечнике?
Для изготовителя соединителей крайне важно использовать высококачественное волокно от надежных поставщиков с жесткими допусками на соосность его сердцевины. Мы тщательно следим за этим параметром и рассчитываем, что наши партнеры предоставят нам оптическое волокно, которое соответствует или превышает установленные нами допуски. Мы просматриваем документацию и проверяем волокно при получении, чтобы убедиться в его соответствии нашим потребностям.
Кроме того, для высверливания отверстия в наконечнике и получения минимальной величины отклонения отверстия от истинного центра наконечника мы используем высококачественное высокотехнологичное оборудование. Чтобы гарантировать высокое качество и производительность кабельных наконечников, для их проверки используется микроскоп с V-образной канавкой. Каждый наконечник помещается в паз V-образного блока так, чтобы конец волокна был обращен к источнику света. Наконечник поэтапно поворачивается с одновременной съемкой изображений. На каждом этапе записываются координаты центра сердцевины наконечника. Высокоточное измерение позволяет определить среднее значение концентричности наконечника.
Затем, после ввода волокна в отверстие наконечника, каждая выполненная сборка проверяется на точность размещения волокна. Относительно диаметров волокна и отверстия в наконечнике компания Ilsintech придерживается очень строгих допусков, что позволяет снизить до минимума возможность перемещения волокна в отверстии. Максимальное совпадение размеров позволяет снизить вносимые потери.
Цилиндричность
Two concentric circles 0.030 apart
Две концентрических окружности на расстоянии 0,03 друг от друга
Цилиндричность представляет собой трехмерную версию соосности и обычно влияет на качество изделия и, в конечном итоге, на качество передачи сигнала между двумя наконечниками.
Кругообразность
Термин кругообразность позволяет описать, насколько форма любого объекта близка к идеальному кругу. То есть удовлетворяет требованию, что длина окружности должна быть равна диаметру, умноженному на число Пи (3,14159). Диапазон возможного отклонения от абсолютного значения образует зону допуска.
Когда речь идет о наконечнике, измеряется его цилиндричность, которая является трехмерной версией кругообразности. Цилиндричность – это кругообразность, вытянутая вдоль главной оси наконечника. Цилиндричность является важным фактором во многих производственных процессах, поскольку она, как правило, влияет на качество изделия и, в конечном итоге, на качество передачи сигнала между двумя наконечниками.
В данном случае измеряется цилиндричность самого наконечника, а также отверстия, которое проходит через него. Вместо того чтобы просто измерять кругообразность в одной плоскости, для получения среднего значения придется записывать измерения во многих местах по всей длине цилиндра. Среднее отклонение от абсолютного значения должно быть в пределах допуска.
Если цилиндричность наконечника и отверстия в нем выходят за допустимые пределы, ось наконечника и ось оптического волокна могут быть смещены друг относительно друга. При передаче данных с одного волоконно-оптического кабеля на другой будет происходить потеря сигнала.