Обратные отражения в оптических патч-кордах и особенности шнуров с различным типом полировки

Волоконно-оптические коммутационные шнуры (для обозначения этих компонентов часто употребляется калька с английского – патч-корд) представляют собой отрезок гибкого волоконно-оптического кабеля, который оконцован с двух сторон элементами оптических разъемов. Шнуры массово используются в процессе строительства и технической эксплуатации внутриобъектовых и операторских линий волоконно-оптической связи, где применяются для решения следующих задач:

• подключение активного оборудования к стационарной части элементарного кабельного участка (линии операторского класса) или стационарным линиям внутриобъектовой структурированной кабельной системы;
• соединение отдельных стационарных компонентов линейного тракта в процессе формирования составного тракта передачи оптического сигнала;
• обеспечение взаимодействия групповых и дуплексных разъемов в случае обращения в линейной части кабельного тракта к популярному во внутриобъектовых сетях связи принципу физической параллельной передачи, т.е. выполнения функций адаптера;
• подключение к элементарному кабельному участку/стационарной линии различных измерительных приборов и устройств в процессе определения фактических параметров этой части кабельной линии.

Из приведенного перечня непосредственно вытекает, что коммутационный шнур эксплуатируется непосредственно в составе оптического кабельного тракта и оказывает непосредственное влияние на качественные показатели функционирования линии. Соответственно, на его параметры накладываются определенные требования, главными из которых являются допустимые величины вносимого затухания и обратных отражений. Далее сосредоточим свое внимание на обратных отражениях.

Обратные отражения в разъемах и причины их возникновения

Обратные отражения в волоконно-оптическом тракте приводят к возникновению потока оптической энергии, который распространяется в противоположном направлении от того основного потока, который генерируется излучателем оптического передатчика (светодиодом, суперлюминесцентным диодом или полупроводниковым лазером). Создается каждой точкой волоконно-оптического тракта. Если внутри световода обратные отражения возникают из-за эффекта рэлеевского рассеяния, то оптический разъем вносит свой вклад за счет наличия френелевского отражения. Его суть заключается в том, что любая точка контакта оптически прозрачных материалов с различным показателем преломления начинает вести себя как полупрозрачное зеркало и отражает часть падающего на него светового потока в обратном направлении.

Наличие френелевских отражений приводит к появлению в линии дополнительных потерь. Они удваиваются за счет того, что свет дважды проходит границу раздела кварцевого стекла и воздуха, что демонстрирует эскиз.

В современной оптической связи применяются волокна из легированного кварцевого стекла с показателем преломления n ≈ 1,5. Поэтому величина потерь на френелевские отражения может достигать весьма значимой величины 0,34 дБ.

Второй нежелательный эффект от обратных отражений в разъемах - нарушение работы полупроводникового лазера. Это происходит из-за того, что дополнительно к штатному резонатору лазера появляется внешний паразитный резонатор, определяемый френелевскими отражениями в точке подключения шнура к линии. Данный эффект поясняет эскиз, а его отрицательные последствия проявляются в значительных искажениях формы импульса передаваемого сигнала вплоть до его дробления на несколько частей.

Методы борьбы с френелевскими отражениями в разъемах

Существует три основных метода борьбы с френелевскими отражениями:

• устранение скачков показателей преломления в точке оптического контакта двух световодов, сращиваемых в разъеме;
• уменьшение общей площади воздушного зазора оптического контакта волокон;
• вывод потока обратного отражения за пределы конуса апертурного угла световода.

Первый метод ориентирован на т.н. non-PC-разъемы (иначе – разъемы с плоской полировкой) и предполагает применение иммерсионного геля – прозрачной субстанции с показателем преломления n ≈ 1,5, который закапывается в область оптического контакта так, как показано на эскизе. Этот прием рассматривается как чисто лабораторный и не разрешается к применению в технике волоконно-оптической связи из-за его эксплуатационного неудобства, что дополнительно выделено на эскизе.

Второй прием – применение т.н. физического контакта, который реализуется в т.н. РС-разъемах. Суть этой конструкции - сращиваемые волокна принудительно вводятся в прямой контакт в собранном состоянии соединителя. Для этого торцевая поверхность армирующего наконечника выполняется с небольшим скруглением, а отверстие для заклейки волокна располагается в его центре. За счет некоторой пластичности стекла волокна в собранном состоянии разъема плотно прижимаются друг к другу, что способствует дополнительному уменьшению площади остаточных воздушных зазоров оптического контакта.

Третий прием – формирование углового физического контакта, когда торцевая поверхность наконечника имеет наклон под углом 8-9 градусов, который превышает апертурный угол стандартного одномодового волокна.

Перечисленные разновидности оптических контактов иллюстрирует эскиз.

Фактические величины обратных отражений оптических разъемов

Численная мера обратного отражения оптического разъема, которая из соображений удобства эксплуатации относится к коммутационному шнуру, - параметр RL. Из-за своей малости записывается в дБ. Фактическая величина RL зависит от

• типа оптического шнура (многомодовый, одномодовый);
• типа полировки (PC, UPC, SPC);
• исполнения оптически активной поверхности (плоская или угловая).

Многомодовые шнуры за счет большой площади сердцевины имеют наименьшую величину оптического RL. Для одномодовых шнуров значение этого параметра можно нарастить более тщательной обработкой торцевой поверхности волокна, что достигается применением шкурки с меньшей зернистостью и подбором режимов работы полировочного станка.

Шнуры с угловой полировкой, в которых применен иной принцип подавления обратных отражений, демонстрируют наибольшее значение RL.

Типовые величины параметра RL приведены в таблице.

Эксплуатационные особенности шнуров с различным типом полировки

С точки зрения эксплуатации параметр RL имеет следующие основные особенности.

1) Наращивание параметра RL многомодовых шнуров до уровня даже РС лишено практического смысла из-за слабого влияния обратных отражений на типовые VCSEL-лазеры диапазона 850 нм многомодовых оптических передатчиков.

2) Вне зависимости от уровня исходного заводского значения RL для одномодового шнура этот параметр обычно уменьшается до уровня PC после примерно десятка циклов включения-отключения из-за неизбежных механических повреждений торцевой поверхности волокна. Ослабить этот нежелательный эффект можно тщательным соблюдением правил эксплуатации оптических коммутационных шнуров.

Одномодовые шнуры APC с угловой полировкой нельзя подключать в розетки с обычной полировкой PC, UPC, SPC из-за механической несовместимости торцевых поверхностей их наконечников. Для более эффективного выполнения этого правила в таких шнурах применяется различный цвет пластиковых элементов корпусов вилок: синий для вилок с обычным физическим контактом, и зеленый – для вилок углового типа. Данную особенность демонстрирует рисунок.

Симплексные одномодовые шнуры с обычным (слева) и угловым (справа) физическим контактом наконечников оптических разъемов.