eng
Выпуск #4/2011
Г.Буймистрюк, А.Рогов, Д.Агафонова.
Волоконно-оптические соединения повышенной плотности для многоканальных измерений
Волоконно-оптические соединения повышенной плотности для многоканальных измерений
Просмотры: 2771
Малые размеры оптических волокон позволяют компактно уложить их в один оптический кабель, но использование одноволоконных соединителей порождает проблему масштабируемости. Новые оптические разъемы увеличивают плотность межсоединений. На приборостроительном заводе «Вибратор» разработана технология и освоено серийное производство 72-канальных предоконцованных шнуров и кабелей, в том числе для круглых кабелей на 72 волокна. В статье описаны методы, исключающие надломы и сломы волокон и наконечников.
Многоволоконные соединения повышенной плотности являются инновационной техникой и находят все возрастающее применение как в системах связи (центры обработки данных, сети Интернет), так и в топливно-энергетическом, строительном и транспортном комплексах для распределенных волоконно-оптических датчиков – сенсорных сетей – в системах мониторинга технического состояния сооружений [1].
Оптический разъемный соединитель типа MPO (Multi-fiber Push On – многоволоконный стык) создан на основе базового многоволоконного MT (Mechanical Transfer – механический переход) наконечника, в котором выравнивание массива волокон является критической высокой технологией [2]. Основные элементы этой технологии:
– высокоточное литье наконечника из термопласта;
– высокоточные стальные направляющие штыри;
– высокоточное многослойное встраивание волокон в наконечник;
– молекулярное упрочнение волокон и пластмассового наконечника.
В силу малоразмерности оптических волокон, в один оптический кабель можно компактно уложить их несколько сотен. Однако оконцевание этих волокон одноволоконными соединителями типа FC или LC увеличивает занимаемый объем в несколько десятков раз, то есть порождает проблему масштабируемости. Оптические разъемные соединители должны быть эргономичными, т. е. соизмеримыми с размерами человеческих пальцев, то есть порядка 9 – 12 мм. Высокая плотность размещения волокон в одном многоволоконном соединителе – до 22 оптических волокон на 1 мм2 –, как показано на рис.1, решает проблему масштабируемости оптоволоконных межсоединений. Разработанные недавно многоволоконные соединители типа "микростык" (μ-Joint) еще в два раза уменьшают габариты (рис.2) и увеличивает плотность межсоединений [3].
Габаритные размеры оптического MPO-разъема приведены на рис.3, а внешний вид соединителей на 72 волокна показан на рис.4. Многоволоконные MPO-разъемы могут соединяться с одной стороны c внешними измерительными датчиками (источниками оптических сигналов) с помощью одиночных соединителей FC/APC, между собой – через проходную розетку, а с другой стороны – на приборной (коммутационной) кассете – непосредственно стыковаться с матрицами лазерных диодов и матрицами фотодиодов, например, производства фирм Avago, Zarlink, Truelight и других компаний, как показано на рис.5.
Основным источником вносимых потерь в многоволоконных MPO-соединениях является смещение положения волокна в отверстиях MT-наконечника. Величина вносимых оптических потерь определяется уравнением:
где R, – сдвиг между центрами сердцевин стыкуемых волокон, мкм; w, – радиус модового поля в сердцевине волокна, мкм.
Значение R зависит от следующих факторов:
– зазора между направляющими штырьками и направляющими отверстиями;
– зазора между волокном и волоконным отверстием в MT-наконечнике;
– смещения положений волоконных отверстий в MT-наконечнике;
– смещения волоконных отверстий относительно направляющих отверстий;
– изгибам MT-наконечника, вызванного усадкой применяемого клея.
Повышение точности литьевой формы, обеспечение отклонений отверстий на ±1 мкм относительно номинальных значений, а также минимальный размер окна MT-наконечника, снижающий влияние усадки клея, – обусловливают снижение вносимых потерь до величин менее 0,1 дБ. Кроме того, создание восьмиградусного торца MT-наконечника и применение иммерсионного согласующего геля при стыковке MPO-соединителей в розетке (адаптере) обеспечивает снижение вносимых оптических потерь менее 0,04 дБ. Результаты измерения вносимых потерь для 180 соединений на λ=1310 нм, многомодовых волокон 50/125 мкм приведены на рис.6.
Поскольку в настоящее время изготовление прецизионных MT-наконечников из металлов или керамики не достижимо, то применяют термопласты на базе полифениленсульфида (PPS), что, естественно, снижает надежность таких наконечников, а при многократных сочленениях возможны сломы участков наконечника. Встраивание массива оголенных волокон в наконечник также вызывает надлом некоторых, чаще всего краевых, волокон, что при эксплуатации приводит к выходу из строя MPO-соединения. Мы повышаем прочность очищенных волокон и пластмассового наконечника, нанося на них молекулярные покрытия TiO2 толщиной в десятки нанометров методом молекулярного наслаивания. Анализ показал, что использование такой нанотехнологии практически исключает надломы и сломы волокон и наконечников, как показано на рис.7.
Классическая технология создания волоконно-оптической измерительной системы (ВОИС) состоит из следующих основных этапов:
1. инсталляции массива волоконно-оптических датчиков на объекте;
2. протяжки оптического кабеля по предварительно выполненным каналам;
3. оконцевания массива волокон вилками разъемов;
4. установки оптоэлектронного трансиверного оборудования;
5. сборки коммутационно-приборных кассет и тестовые проверки.
При оконцевании, сборке и тестировании требуется квалифицированный персонал со специальной подготовкой и применение дорогого технологического и измерительного оборудования. Новым в разработке линейных предоконцованных волоконно-оптических кабельных линий и шнуров для построения ВОИС стал подход к максимально полному исполнению технически сложных и ответственных операций в условиях специализированного производственного предприятия.
До недавнего времени число каналов для МРО-соединителей было ограничено 24 каналами у всех производителей. Однако, благодаря инновационным технологиям изготовления базового компонента МРО-разъема – наконечника МТ – и его многоволоконного оконцевания с малыми оптическими потерями и высокой равномерностью по всем каналам, освоено серийное производство 72-канальных предоконцованных шнуров и кабелей, в том числе для круглых кабелей на 72 волокна. Серийное производство 72-канальных оптических линий с МРО-разъемами освоено на ОАО "Приборостроительный завод "ВИБРАТОР" по ТУ 4315-0216-05755097-2009 и декларации о соответствии № Д-ОК1661 от 29.10.2010 г.
Малоразмерное оптическое оборудование на базе MPO-разъемов резко сократило продолжительность выполнения монтажных работ, заметно увеличило плотность конструкции оптического коммутационного оборудования. Это важно пользователям, владеющим небольшими по площади техническими помещениями. Учтите при этом простоту перехода на другой тип оптического разъема пользовательского интерфейса, возможность ввода линии в эксплуатацию сразу после прокладки кабеля и подключения вилок его разъемов к розеткам линейной стороны приборной кассеты без тестирования, паспортизации и других трудоемких операций. Многоволоконные MPO-соединения требуют и нового подхода к контролю состояния межсоединений в коммутационно-приборных кассетах, объединяющих сенсорную сеть мониторинга протяженных и сложных сооружений. Новым подходом в таких ВОИС и сенсорных сетях становится построение интеллектуальных соединительных устройств для связных и сенсорных сетей [4]. Интеллектуализация таких систем и сетей позволит существенно улучшить управление и обслуживание оптических многоканальных измерительных комплексов.
Литература
1. Буймистрюк Г. Информационно-измерительная техника и технология на основе волоконно-оптических датчиков и систем. – СПб.: Изд-во ИВА ГРОЦ Минатома, 2004.
2. IEC 61754-7. Fibre optic interconnecting devices and passive components – Fibre optic connector interfaces.Part 7: Type MPO connector family, 2008.
3. Nishimura N. et al. High-density multi-fiber connectors for optical interconnection. – Furukawa Review, 2008, № 34.
4. US Patent № 7938700. Int. Cl. H04Q1/14, publ. 10.05.2011. Intelligent inter-connect and cross-connect patching system.
Оптический разъемный соединитель типа MPO (Multi-fiber Push On – многоволоконный стык) создан на основе базового многоволоконного MT (Mechanical Transfer – механический переход) наконечника, в котором выравнивание массива волокон является критической высокой технологией [2]. Основные элементы этой технологии:
– высокоточное литье наконечника из термопласта;
– высокоточные стальные направляющие штыри;
– высокоточное многослойное встраивание волокон в наконечник;
– молекулярное упрочнение волокон и пластмассового наконечника.
В силу малоразмерности оптических волокон, в один оптический кабель можно компактно уложить их несколько сотен. Однако оконцевание этих волокон одноволоконными соединителями типа FC или LC увеличивает занимаемый объем в несколько десятков раз, то есть порождает проблему масштабируемости. Оптические разъемные соединители должны быть эргономичными, т. е. соизмеримыми с размерами человеческих пальцев, то есть порядка 9 – 12 мм. Высокая плотность размещения волокон в одном многоволоконном соединителе – до 22 оптических волокон на 1 мм2 –, как показано на рис.1, решает проблему масштабируемости оптоволоконных межсоединений. Разработанные недавно многоволоконные соединители типа "микростык" (μ-Joint) еще в два раза уменьшают габариты (рис.2) и увеличивает плотность межсоединений [3].
Габаритные размеры оптического MPO-разъема приведены на рис.3, а внешний вид соединителей на 72 волокна показан на рис.4. Многоволоконные MPO-разъемы могут соединяться с одной стороны c внешними измерительными датчиками (источниками оптических сигналов) с помощью одиночных соединителей FC/APC, между собой – через проходную розетку, а с другой стороны – на приборной (коммутационной) кассете – непосредственно стыковаться с матрицами лазерных диодов и матрицами фотодиодов, например, производства фирм Avago, Zarlink, Truelight и других компаний, как показано на рис.5.
Основным источником вносимых потерь в многоволоконных MPO-соединениях является смещение положения волокна в отверстиях MT-наконечника. Величина вносимых оптических потерь определяется уравнением:
где R, – сдвиг между центрами сердцевин стыкуемых волокон, мкм; w, – радиус модового поля в сердцевине волокна, мкм.
Значение R зависит от следующих факторов:
– зазора между направляющими штырьками и направляющими отверстиями;
– зазора между волокном и волоконным отверстием в MT-наконечнике;
– смещения положений волоконных отверстий в MT-наконечнике;
– смещения волоконных отверстий относительно направляющих отверстий;
– изгибам MT-наконечника, вызванного усадкой применяемого клея.
Повышение точности литьевой формы, обеспечение отклонений отверстий на ±1 мкм относительно номинальных значений, а также минимальный размер окна MT-наконечника, снижающий влияние усадки клея, – обусловливают снижение вносимых потерь до величин менее 0,1 дБ. Кроме того, создание восьмиградусного торца MT-наконечника и применение иммерсионного согласующего геля при стыковке MPO-соединителей в розетке (адаптере) обеспечивает снижение вносимых оптических потерь менее 0,04 дБ. Результаты измерения вносимых потерь для 180 соединений на λ=1310 нм, многомодовых волокон 50/125 мкм приведены на рис.6.
Поскольку в настоящее время изготовление прецизионных MT-наконечников из металлов или керамики не достижимо, то применяют термопласты на базе полифениленсульфида (PPS), что, естественно, снижает надежность таких наконечников, а при многократных сочленениях возможны сломы участков наконечника. Встраивание массива оголенных волокон в наконечник также вызывает надлом некоторых, чаще всего краевых, волокон, что при эксплуатации приводит к выходу из строя MPO-соединения. Мы повышаем прочность очищенных волокон и пластмассового наконечника, нанося на них молекулярные покрытия TiO2 толщиной в десятки нанометров методом молекулярного наслаивания. Анализ показал, что использование такой нанотехнологии практически исключает надломы и сломы волокон и наконечников, как показано на рис.7.
Классическая технология создания волоконно-оптической измерительной системы (ВОИС) состоит из следующих основных этапов:
1. инсталляции массива волоконно-оптических датчиков на объекте;
2. протяжки оптического кабеля по предварительно выполненным каналам;
3. оконцевания массива волокон вилками разъемов;
4. установки оптоэлектронного трансиверного оборудования;
5. сборки коммутационно-приборных кассет и тестовые проверки.
При оконцевании, сборке и тестировании требуется квалифицированный персонал со специальной подготовкой и применение дорогого технологического и измерительного оборудования. Новым в разработке линейных предоконцованных волоконно-оптических кабельных линий и шнуров для построения ВОИС стал подход к максимально полному исполнению технически сложных и ответственных операций в условиях специализированного производственного предприятия.
До недавнего времени число каналов для МРО-соединителей было ограничено 24 каналами у всех производителей. Однако, благодаря инновационным технологиям изготовления базового компонента МРО-разъема – наконечника МТ – и его многоволоконного оконцевания с малыми оптическими потерями и высокой равномерностью по всем каналам, освоено серийное производство 72-канальных предоконцованных шнуров и кабелей, в том числе для круглых кабелей на 72 волокна. Серийное производство 72-канальных оптических линий с МРО-разъемами освоено на ОАО "Приборостроительный завод "ВИБРАТОР" по ТУ 4315-0216-05755097-2009 и декларации о соответствии № Д-ОК1661 от 29.10.2010 г.
Малоразмерное оптическое оборудование на базе MPO-разъемов резко сократило продолжительность выполнения монтажных работ, заметно увеличило плотность конструкции оптического коммутационного оборудования. Это важно пользователям, владеющим небольшими по площади техническими помещениями. Учтите при этом простоту перехода на другой тип оптического разъема пользовательского интерфейса, возможность ввода линии в эксплуатацию сразу после прокладки кабеля и подключения вилок его разъемов к розеткам линейной стороны приборной кассеты без тестирования, паспортизации и других трудоемких операций. Многоволоконные MPO-соединения требуют и нового подхода к контролю состояния межсоединений в коммутационно-приборных кассетах, объединяющих сенсорную сеть мониторинга протяженных и сложных сооружений. Новым подходом в таких ВОИС и сенсорных сетях становится построение интеллектуальных соединительных устройств для связных и сенсорных сетей [4]. Интеллектуализация таких систем и сетей позволит существенно улучшить управление и обслуживание оптических многоканальных измерительных комплексов.
Литература
1. Буймистрюк Г. Информационно-измерительная техника и технология на основе волоконно-оптических датчиков и систем. – СПб.: Изд-во ИВА ГРОЦ Минатома, 2004.
2. IEC 61754-7. Fibre optic interconnecting devices and passive components – Fibre optic connector interfaces.Part 7: Type MPO connector family, 2008.
3. Nishimura N. et al. High-density multi-fiber connectors for optical interconnection. – Furukawa Review, 2008, № 34.
4. US Patent № 7938700. Int. Cl. H04Q1/14, publ. 10.05.2011. Intelligent inter-connect and cross-connect patching system.
Отзывы читателей
