что такое ферула оптического коннектора
Типы оптических разъемов: простое руководство
В данной статье мы постараемся описать наиболее распостраненные оптические коннекторы применяемые в сетях передачи данных и сетях телевидения.
Ферула:
Ферула оптического коннектора – это керамическая часть коннектора цилиндрической формы, в центр которой вклеено оптическое волокно. Ферула делает возможным прохождение лазерного излучения через два оптических волокна.
Наиболее распространённые диаметры ферулы: 2,5 мм (в коннекторах типа FC, SC, ST) и 1,25 мм (в коннекторах типа LC).
Коннекторы типа SC
Разработаны Nippon Telegraph and Telephone. Изобретение стало самым популярным из-за снижения производственных затрат.
Особенности и применение коннекторов типа SC:
Коннекторы типа FC
Разработаны Nippon Telephone and Telegraph. Это был первый оптический разъем с использованием керамического наконечника. Со временем его использование становится все менее распространенным в пользу разъемов SC и LC.
Особенности и применение коннекторов типа FC
Коннекторы типа ST
Разработаны в США компанией AT&T и используются в профессиональной среде: корпоративных сетях, в военной области.
Особенности и применение коннекторов типа ST
Коннекторы типа LC
Разработаны Lucent Technologies и выпущены в 1997 году.
Особенности и применение коннекторов типа LC
Типы полировки
На протяжении многих лет специалисты модернизировали форму и характеристики оптических коннекторов, пытаясь достичь минимальных потерь и отражений на разъеме.
Ни для кого не секрет, что потери на коннекторном соединении уменьшают мощность сигнала, что приводит к уменьшению расстояния, на которое он может быть передан.
Отраженная часть сигнала также способна вносить ошибки (BER) и нагревать SFP модуль, а это, в свою очередь, уменьшает качество переданной информации и приводит к уменьшению срока службы передающего оборудования.
В связи с этим подвергались изменениям типы полировки оптических коннекторов.
Наиболее популярными типами полировки оптических коннекторов на сегодняшний день являются типы полировки PC (Physical Contact), UPC (ultra phisical contact) и APC (angle phisical contact)
Определить тип полировки коннектора/порта можно по его цвету:
PC: Physical Contact (Физический контакт).
UPC: Ultra Physical contact (Ультра физический контакт).
APC: Angled Physical Contact (Угловой физический контакт).
Коннекторы с полировкой APC обеспечивают меньшее количество отраженного в сторону источника сигнала.
Благодаря скошенной под углом 8-9 градусов поверхностью ферулы, сигнал отражается от разъема не под углом 180 градусов, в результате чего отраженный сигнал не возвращается к передатчику вовсе, или возвращается с меньшей мощностью.
В связи с этим применение таких коннекторов обусловлено в системах, где присутствует сигнал большой мощности. Поэтому коннекторы с полировкой APC используются в сетях кабельного телевидения и PON.
⚠️ Соединять между собой коннекторы APC и UPC нельзя. Так мы рискуем повредить коннекторы и увеличить затухание и отражение сигнала.
Оптические разъемы: типы, отличия, применение
Неотъемлемым компонентом любой волоконно-оптической сети являются коннекторные соединения, которые состоят из двух основных компонентов: двух оптических разъемов и розетки (адаптера) для их соединения.
Оптическая розетка (адаптер) – это приспособление со сквозным продольным отверстием и крепежными элементами для коннекторов определенного типа с обеих сторон. Назначением оптической розетки является точное сведение ферул двух коннекторов и фиксация их в таком положении для обеспечения передачи данных.
Рисунок 1 – Схема коннекторного соединения
Оптический коннектор (разъем) – это кабельное окончание. Коннектор устанавливается по обе стороны любого оптического кабеля, будь то магистральный или распределительный кабель, или даже соединительный патч корд. Существует большое множество различных типов оптических разъемов, отличающихся по конструктивному исполнению, способу фиксации, диаметру ферулы типу полировки и т.д.
Рисунок 2 – конструкция оптического коннектора
Основными конструктивными элементами оптического разъёма являются корпус, ферула и фиксатор. Наиболее популярны коннекторы с диаметром ферулы 2,5 мм и 1,25 мм
Типы оптических разъемов
Рисунок 3 – разновидности оптических коннекторов и адаптеров
По конструктивному исполнению наиболее популярными типами являются коннекторы FC, SC, LC и ST типа. Рассмотрим их отличия.
• Оптический коннектор SC
SC коннекторы – одни из наиболее применяемых разъемов. Они имеют пластиковый корпус прямоугольного сечения и ферулу диаметром 2,5 мм. К преимуществам оптического SC разъема можно отнести простоту коммутации. Для фиксации в розетке достаточно просто вставить его до щелчка. Аналогично производится и его извлечение. Вместе с тем, он плохо адаптирован к механическим и вибрационным нагрузкам.
• Оптический коннектор LC
LC разъем по форме и принципу коммутации напоминает рассмотренный выше SC коннектор. Однако он имеет существенно меньшие габариты корпуса, да и ферула у него диаметром всего 1,25 мм. Компактный размер оптического LC разъема позволяет существенно повысить плотность портов на кроссе. Вместе с тем, из-за недостаточного пространства усложняется коммутация. При большой плотности портов коммутацию удобно выполнять только при помощи специализированного инструмента
Рис. 4. Инструмент Jonard FCT-100 для установки/извлечения коннекторов SC и LC в труднодоступных местах
• Оптический коннектор FC
FC разъем по праву считается самым надежным из перечисленных выше оптических коннекторов. Он имеет металлический корпус и фиксируется в розетке при помощи резьбового соединения. Последнее придает такому соединению механической прочности и вибрационной устойчивости. Но в удобстве коммутации он явно проигрывает. Оптические разъемы FC по умолчанию устанавливаются на все измерительные приборы для ВОЛС.
• Оптический коннектор ST
ST разъем на данный момент считается уже устаревшим, однако до сих пор применяется в многомодовых системах передач. Его фиксация напоминает фиксацию байонет разъема (вставить и немного провернуть по часовой стрелке). В отличие от остальных типов коннекторов, ферула коннектора ST имеет только UPC полировку.
Типы полировки оптических разъемов
Рисунок 5 – типы полировки ферулы коннектора
Чаще всего используются коннекторы с UPC полировкой. Коннекторы с APC полировкой более дорогие, однако позволяют уменьшить возвратные потери (основным составляющим возвратных потерь линии являются отражения в разъемных соединителях) оптической линии, что очень чувствительно для линий, по которым передается видео контент (КТВ, PON). Мощность сигнала в таких сетях намного больше, чем в стандартных сетях передачи данных, поэтому и отраженный сигнал имеет большую мощность. В этих сетях применяются исключительно разъемы с APC полировкой. Более детально механизмы возникновения потерь и отражения в разъемных соединителях описаны в следующем разделе.
Чаще всего, используются разъемы, предназначенные для внутриобъектового применения. Однако существуют коннекторы и для уличного применения – усиленные коннекторы. Они имеют повышенную устойчивость к физическим нагрузкам, влажности и перепаду температур. Такие коннекторы адаптированы для установки на кабели различного диаметра и сечения и чаще всего устанавливаются в уличных распределительных ящиках.
Потери и отражение в оптических коннекторах
При распространении по оптической линии сигнал претерпевает затухание и отражение от неоднородностей коэффициента преломления.
Затухание сигнала в ВОЛС обуславливается потерями в самом оптоволокне, потерями в сварных (неразъемных) и коннекторных (разъемных) соединителях, потерями в других компонентах ВОЛС (ответвители, сплиттеры и т.д).
Чем меньше затухание сигнала в линии, тем менее мощное и менее дорогое приемо-передающее оборудование может работать на ней. Или тем больше расстояние, на которое можно передать информацию без ошибок по этой линии.
Основными же причинами возникновения потерь и отражения в разъемных оптических соединителях являются:
Как бы плотно мы бы не зажимали коннектор в розетке, всё равно между световодами волокон (размещёнными в центре ферулы коннектора) останется небольшой зазор, заполненный воздухом. В связи с тем, что показатель преломления воздуха отличается от показателя преломления оптического световода (сердцевины оптического волокна), часть излучения отражается при переходе из коннектора первого кабеля в воздушное пространство. Еще часть излучения отражается при переходе света из воздуха в коннектор второго соединяемого кабеля. Таким образом, при переходе через разъемный соединитель мощность сигнала уменьшается.
Вместе с тем, само отражение тоже является отрицательным фактором. Отраженный обратно к передатчику сигнал слепит его (как водителя слепит свет встречного транспортного средства в темное время суток) и приводит к возникновению битовых ошибок и нагреванию SFP модулей. А как следствие – снижение скорости передачи и ухудшение качества видео (наверное, все видели разноцветные квадратики на экране телевизора) и выход из строя SFP модуля.
Для уменьшения влияния отраженных сигналов на передатчик, в системах передачи используются коннекторы с APC полировкой.
Рисунок 6 – Влияние типа полировки оптического коннектора на мощность отраженного к передатчику сигнала
Такие коннекторы имеют срезанный под углом 8-9 градусов торец, что позволяет изменить траекторию отраженного сигнала. Отраженный под таким углом сигнал выходит за пределы световода и не возвращается к передатчику.
Разъемы с APC полировкой обычно окрашены в зеленый цвет. Для их соединения используются тоже зеленые адаптеры. И соединять между собой синие (UPC полировка) и зеленые APC полировка) коннекторы, как вы понимаете, нельзя.
Если в разъемный соединитель (в зазор между ферулами коннекторов) попадает грязь или жир – это еще больше усугубляет ситуацию, описанную в предыдущем пункте. А при диаметре световода в 9 микрометров (для одномодового оптического волокна) для серьезного ухудшения качества передачи сигнала достаточно даже одного прикосновения пальцем к торцу коннектора.
Рис. 7. Фотография торца загрязненного и поврежденного коннектора (a – грязь; b – жир; c – царапина)
Именно поэтому требуется регулярная чистка и инспектирование разъемных соединителей. Более подробно о чистке оптических разъемов можно посмотреть в этом видео:
Рисунок 8 – типы трещин в торце волокна
Данную поломку можно легко идентифицировать при помощи оптических микроскопов. А чрезмерный изгиб (макроизгиб) такого кабеля хоть и не увеличит отражения, потому что на изгибе отражения не возникают, зато внесет очень большие потери. Такие потери будут тем больше, чем больше длина волны, на которой они измеряются. Например, потери на длине волны 1550 нм будут значительно превосходить потери на длине волны 1310 нм. Для идентификации и локализации такого повреждения в оптической линии понадобится оптический рефлектометр с двумя рабочими длинами волн, 1310 нм и 1550 нм. Идентифицировать макроизгиб в оптическом патчкорде, сплайс кассете муфты или распределительного ящика можно при помощи визуализатора повреждений.
Это создает еще большие препятствия для распространения сигнала и приводит к его отражению и затуханию.
Рисунок 9 – смещение ферул в оптическом адаптере
В сквозном отверстии адаптера чаще всего находится керамическая трубка, которая при неаккуратной коммутации может сломаться. Признаками ее поломки также будут флуктуации (постоянно меняющееся значение) мощности сигнала и его затухания.
К сожалению, на рынке встречаются пигтейлы и патч корды, при производстве которых использовано как раз такое волокно. В этом случае, даже при точном сведении ферул коннекторов не удастся добиться низких потерь и отражения в оптическом волокне. Детально эта тема раскрыта в статье.
Оптические патч-корды
Одним из компонентов оптического кросса является также оптический патчкорд.
Рисунок 10 – схема подключения оптического кабеля к приемо-передающей аппаратуре
Оптический патч корд – это волоконно-оптический кабель небольшой длины (обычно от 1 до 50 м) на обоих концах которого установлены коннекторы. Чаще всего для производства оптических патчкордов используется внутриобъектовый оптический кабель с диаметром оболочки 2-3 мм.
Оптические патч корды отличаются по нескольким параметрам:
Рисунок 11 – Симплексный (а) и дуплексный (б) оптические патчкорды
Маркировка оптических патч-кордов
Маркировка патчкордов отличается у разных производителей. Однако в любом случае она включает в себя основные данные:
Как сделать оптический патчкорд?
Обычно операторы, интеграторы и провайдеры покупают патч-корды уже в готовом виде. Вместе с тем, существует простой способ изготавливать их и самостоятельно при помощи технологии Splice On.
Этот способ позволит оперативно изготовить патчкорд нужной длины и с нужными типами коннекторов с обоих сторон. Особенно это актуально при необходимости изготовления гибридных патч-кордов (которые имеют коннекторы разного типа и полировки с обоих концов). Такие патч-корды, да еще и нужной длины, не всегда есть на складе поставщиков. Кроме того, вы будете уверены в высоком качестве такого изделия.
Выводы
Известно, что наиболее частыми причинами неработоспособности оптических линий связи являются повреждения на кроссе. Поэтому ниже приведено несколько простых правил как этого избежать:
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.