Коннекторы

Оптические коннекторы - это механическое устройство предназначенное для многократных соединений. Они обеспечивают быстрый способ переконфигурации оборудования, проверки волокон, подсоединения к источникам и приемникам света.

Перед установкой коннектора торец волокна зачищают, а затем скалывают или полируют. Коннекторы в основном создают большие потери, чем сростки, так как в них обычно не используется выравнивающее показатели преломления вещество, и они не подстраиваются.

Коннектор для соединения одиночных волокон состоит из двух основных частей: штекера и соединителя.

Штекер состоит из цилиндрической или конической втулки с волоконом внутри капилярного отверстия, проходящего по центральной оси втулки. Штекер имеет резьбовую крышку, которая удерживает штекер и соединитель вместе. Для приложения контролируемой нагрузки на границу волокон крышка может иметь пружину, для предотвращения поворота штекера внутри соединителя - ключ, для ограничения минимального радиуса изгибв волокна при вводе в штекер - защитную трубку, для предотвращения выдергивания волокна - рукав для снятия деформации.

Существует пять наиболее распространенных типов коннекторов: SMA, биконический, ST коннектор, FS и D4.

Коннекторы SMA (Sub-Miniature type A) применяются для соединения многомодовых световодов. SMA поставляется в двух моделях: 905 и 906. SMA штеккер состоит из цилиндрической втулки (диаметр для соответствующих моделях - 3,2 мм и 3,0 мм) изготовленной из полимера или алюминия, стали, латуни или керамики. В 906 модели для лучшего выравнивания применяется полимерная выравнивающая муфта, которая надевается на кончик втулки. SMA штекеры подсоединяются к своим соединителям посредством гайки с резьбой. Давление на стыке зависит от того, насколько туго завернута гайка, что предопределяет величину потерь на стыке.

Биконические коннекторы. Выпускаются компанией AT&T и используются для соединения как многомодовых, так и одномодовых световодов. Втулка такого коннектора имеет форму усеченного конуса, а соединяющая муфта имеет два соответствующих внутренних сужения, отчего коннектор получил название биконический. Сужения обеспечивают легкость вставки штекера и незначительное истирание втулки и муфты, что придает ему большую долговечность по сравнению с остальными четырьмя типами коннекторов. Втулку и муфту биконических коннекторов изготавливают из полимера или нержавеющей стали. Торцы волокон только полируются. Пружина, расположенная в штекере гарантирует контролируемую продольную нагрузку, действующую на муфту, независимо от силы завинчивания. Для предотвращения вращения втулки в муфте в штекере установлен ключ, который выравнивается с пазом на втулке.

ST коннектор выпускается компанией AT&T, представляет собой высококачественный малогабаритный соединитель, который нашел применение для стыковки как многомодовых, так и одномодовых световодов. Штекер ST коннектора состоит из цилиндрической втулки, изготовленной из полимера или нержавеющей стали, диаметром 2,5 мм. Втулки выравниваются разъединительной муфтой с поперечным сечением, напоминающим сечение поршневого кольца в бензиновых двигателях. Этим достигается равномерное распределение в муфте радиальной силы, которая действует на вставляемую втулку. Как и в биконических коннекторах в ST коннекторах муфта мягко расположена в корпусе соединителя. Наличие ключа и пружины, контролирующей силу на конце втулки, уменьшают вероятность повреждения волокон. В отличие от других четырех типов коннекторов ST коннектор имеет не резьбовую крышку, а защелкивающийся байонетный механизм. Поворот крышки на 45⁰ завершает соединение.

FC коннектор разработан японской компанией NTT и обеспечивает высококачественное соединение как многомодовых, так и одномодовых световодов. Коннектор имеет втулку диаметом 2,5 мм, которая изготавливается из керамики, нержавеющей стали или композита из оболочки из нержавеющей стали и керамической внутренности. Зачищенное волокно вставляется в отверстие в центре втулки, закрепляется и полируется. Как и ST коннектор FC коннектор имеет разъединительную муфту, мягко расположенную в корпусе соединителя, подпружиненную втулку и ключ.

Аналогичный по устройству коннектору FC, коннектор D4 разработан японской компанией NEC для использования в многомодовых и одномодовых световодах.

Из большого разнообразия многоволоконных коннекторов необходимо дуплексные коннекторы, которые предназначены для одновременного подсоединения двух волокон к приемопередатчику. В этих коннекторах используются те же втулки и муфты, что и в одиночных коннекторах, только они располагаются в специальном корпусе.

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ВОЛС.

К пассивным компонентам ВОЛС относятся оптические соединители и разветвители, которые служат для объединения или разъединения оптических сигналов.

Различают чувствительные (селективные) и нечувствительные (неселективные) пассивные компоненты. Первые применяются для объединения (или разъединения) сигналов с различными оптическими несущими и называются соответственно мультиплексорами и демультиплексорами. Вторые используются для разветвления оптической мощности при наличии большого числа оконечных устройств в линии связи.

1 2 1 3 1     а) в) 1 4 1 6 6   б) г) Рис. 1. а) - с решеткой; б) - с призмой; в) - с интерференционным фильтром; г) - с поглощающим фильтром; 1 - градиентная цилиндрическая линза; 2 - дифракционная решетка; 3 - хроматический фильтр; 4 - призма; 5 - отражающее покрытие; 6 - селективный фотодетектор.

Мультиплексоры и демультиплексоры. Мультиплексирование позволяет увеличить информационную емкость ВОЛС. Применяемые в линиях устройства для объединения сигналов с различными несущими длинами волн (мультиплексоры) и разъединения (демультиплексоры) должны иметь малые вносимые потери. Кроме того, они должны обеспечивать высокую степень изоляции между каналами. В зависимости от длины волны используют четыре основных способа формирования данных устройств (рис. 1).

В основу работы устройств положены три чувствительных к длине волны эффекта: угловая дисперсия, интерференция и поглощение. Демультиплексоры, показанные на рис. 1.а,б, используют угловую дисперсию решетки или призмы. На рис. 1.в изображена конструкция для разделения каналов с помощью интерференционного фильтра, а на рис. 1.г - структура поглощающего типа. При этом каждый поглотитель состоит из чувствительного к длине волны фотодиода.

Устройства с решеткой и призмой являются делителями с параллельным разделением каналов, а использующие фильтры и селективные фотодетекторы - с последовательным.

Последовательное разделение применяется при небольшом числе каналов, так как с ростом числа каналов пропорционально увеличивается число элементов схемы (сфетофильтров, делительных пластин, зеркал, фокусирующих элементов) и соответственно растут потери на излучение. Наиболее широко используются устройства с интерференционным фильтром. Принцип последовательного разделения каналов с помощью интерференционных фильтров представлен на рис. 2.

2 3 3 4 3 3 2 4 Рис. 2 1- входной ВС; 2 - фокусирующий элемент; 3 - выходные ВС; 4 - интерференционные фильтры

Интерференционные фильтры пропускают узкую область спектра, а остальное излучение эффективно отражают. В приведенной схеме шесть фокусирующих элементов состыкованы торцами, между которыми размещены интерференционные фильтры, причем каждый из них пропускает лишь одну оптическую несущую. Потери при выделении одной несущей от лазерного источника излучения составляют ~2,5 дБ, интервал между несущими 30 нм.

Демодуляторы такого типа выполнимы и в полностью волоконном исполнении без использования цилиндрических линз. Их устройство подобно устройству торцевых делителей мощности, в разрезе передающего волоконного световода которых вместо полупрозрачной пластины расположен фильтр, чувствительный к длине волны.

Параллельное разделение возможно осуществить как для малого, так и для большого (несколько десятков) числа спектрально уплотненных несущих в одном волоконном световоде. Параллельные детали представляют собой миниспектрометры. Как и спектрометр, делитель имеет диспергирующий элемент (решетку или призму), коллимирующий элемент (объектив или вогнутое зеркало), а также входную и выходную щели (роль которых выполняют сердечники излучающего и приемных волоконных световодов). Схема с призмой не получила широкого распространения, так как призма ограничивает возможность иниатюризации устройства и характеризуется низкой дисперсией в диапазоне длин волн 1,1 - 1,6 мкм. Материалы для изготовления призм со значительной угловой дисперсией имеют большие потери. Кроме того, дисперсия призм не постоянна по спектру. Наибольшее распространение получили устройства с дифракционной решеткой.

Угловая дисперсия первого порядка для решетки определяется ее пространственным периодом - постоянной решетки А и описывается выражением

.

Если оптическая мощность в каждом канале практически монохроматична, разделение каналов определяется определяется соотношением

,

где f - фокусная длина линзы;

D - прстранственное разделение выходов

волоконного световода.

Конечная ширина спектральной линии таких источников излучения, как светодиоды, приводит к перекрытию соседних каналов, поэтому мультиплексоры и демультиплексоры с решетками пригодны в ВОЛС, в которых источниками излучения являются только полупроводниковые лазеры с шириной спектральной линии ~ 2 нм.

Примером устройства демультиплексора с решеткой является пятиканальный дкмультиплексор изображенный на рис. 3.

2 0,9 мм 3 4 6,20     Рис. 3 1- входной ВС; 2 - выходные ВС; 3 - объектив; 4 - дифракционная решетка

Излучающий и пять приемных ВС объединены в линейку, расположенной в фокальной плоскости объектива (фокусное расстояние 23,8 мм, диаметр 14 мм). Излучение из передающего ВС коллимируется объективом, дифрагирует на решетке и снова попадает в объектив, который в зависимости от длины волны фокусирует излучение на тот или другой приемный ВС. Вместо объектива может использоваться фокусирующий (градиентный). Дифракционную решетку изготавливают анизотропным травлением кристаллической подложки по кристаллическим осям сквозь предварительно нанесенную маску. Решетка имеет несимметричные канавки. Параметры решетки (постоянная решетки А=4 мкм, угол =6,2⁰) выбраны так, чтобы ее максимальная дифракционная эффективность достигалась на центральной длине волны =0,86 мкм рабочего диапазона 0,82 - 0,88 мкм. Спектральный интервал между каналами равен 25 нм. Вносимые потери в каналах не превышают 1,4 дБ, переходное затухание не менее 30 дБ.

Делители оптической мощности. Неселективные разветвители подразделяют на два основных типа: Т-образные, построенные по принципу ответвления оконечных устройств от главного ствола линии и звездообразные. Потери при распределении мощности излучения в системе с Т- образными соединителями возрастают пропорционально числу абонентов, а в системе со звездообразными ответвителями - пропорционально логарифму числа оконечных устройств N. Так в системе с 20 оконечными устройствами общие потери составляют в первом случае 130 дБ, а во втором - 28 дБ. Поэтому в системах с большим количеством абонентов целесообразно применение звездообразных соединительных устройств.

Деление мощности с помощью Т-образного разветвителя характеризуют следующими величинами затухания:

в прямом направлении

вносимым

при ответвлении

связи

в обратном направлении

В звездообразном ответвителе к каждому из входных ВС подведена мощность Р_Еi (i=1, 2, ..., n), которая передается выходным ВС. Пусть Р_Аj (j=1, 2, ..., m) - мощность, поступающая в j-й выходной ВС. При равномерном распределении входной мощности между выходными ВС ответвитель характеризуют следующие величины:

потери на расщепление

вносимые потери

ослабление в обратном направлении

, где =1, 2, ..., n.

По своей конструкции разветвители разделяют на две основные группы:

- биконические, в которых излучение передается через боковую поверхность;

- торцевые, в которых излучение передается через торец.

В обеих группах передача излучения может осуществляться либо при непосредственном контакте ВС, либо через вспомогательные элементы - зеркала, линзы, смесители. В биконических разветвителях свет может быть извлечен через боковую поверхность при преобразовании направляемой моды в моду излучения или при связи со вторым ВС через исчезающее поле (рис. 4).

Преобразование распространяющейся волны в моды излучения получают при изгибе ВС, при снятии оболочки или коническом сужении сердцевины. Вносимые потери составляют 0,2 - 1,0 дБ.

Из разветвителей торцевого типа наиболее распространены такие, в которых торцы выходных ВС непосредственно состыкованы с торцом входного ВС и закрепляются каким-либо механическим способом (рис. 5).

Изменяя взаимное расположение торцов ВС и подбирая их поперечное сечение, можно варьировать в широких пределах отношение мощностей в разных выходных каналах. Вносимые потери составляют 0,3 - 1,2 дБ.

На рис. 6 изображен разветвитель с ветвящейся структурой, сформированный путем склеивания или сплавления выходных ВС вдоль сошлифованных под малым углом сердечника и соединения с торцом входного ВС.

1     Рис. 6 1 - входной ВС; 2, 3 - выходные ВС

Хотя принцип разветвителя простой, изготовление затруднительно, вносимые потери составляют 0,5 - 1,2 дБ. Эта конструкция подходит как для градиентных, так и для ступенчатых световодов. Разделение мод и потери растут с ростом угла , под которым соединены ВС.

Разветвитель с расщеплением пучка показан на рис. 7.

Рис. 7

Световод разрезан под углом 45⁰ к оси, торцы его отполированы и покрыты частично отражающими и диэлектрическими зеркалами. Величина потерь составляет 0,5 дБ.

В разветвителях со вспомогательными элементами широко используют диэлектрические цилиндрические линзы, представляющие собой отрезок градиентного волоконного световода с параболическим профилем показателя преломления.

Лучи периодически фокусируются на оси линзы в точках, расстояние f между которыми определяется длиной волны сигнала. Некоторые типы разветвителей с линзами показаны на рис. 8.

1 2 1 2         а) б) Рис. 8 а) - с частично отражающим покрытием; б) - без отражающего покрытия 1- входной ВС; 2, 3 - выходные ВС

На торцы линз иногда наносится частично отражающие покрытия.

На рис. 9 представлен звездообразный ответвитель.

Он состоит из цилиндрического корпуса со стеклянным смесительным стержнем. Один из концов смесительного стержня представляет собой сферическое зеркало, на другой конец нанесено просветляющее покрытие. Излучение, выходящее из какого-либо световода, отражается от зеркала и равномерно распределяется всем ВС. Это дает возможность каждому терминалу в системе передавать и принимать данные от любого другого терминала.

Заключение