Монтаж и полировка волоконно-оптических коннекторов

Волоконно-оптические коннекторы.

Волоконно - оптический коннектор — механическое устройство для соединения оптических волокон между собой или для соединения оптического волокна с различными элементами (телекоммуникационной аппаратурой, лабораторными приборами, активными и пассивными модулями).

Если рассмотреть вариант соединения оконцованных коннекторами волокон между собой, можно утверждать, что используется принцип соединения торцов волокон встык. Для этого используются специальные проходные адапторы ("волоконно-оптические розетки"). Необходимо правильно выставить положение коннекторов с целью согласования сердцевин, модовых полей, волокон. Коннекторы находятся в плотно прижатом состоянии, место соединения торцев волокон не должно иметь даже воздушного зазора в зоне контакта в целях минимизировать потери, отражения Френеля, вероятность образования резонатора между двумя плоскими торцами волокон. От границы раздела между плоским торцом стандартного одномодового волокна SMF-28e и воздухом отражается более 3% излучения С-диапазона.

Следует различать типы коннекторов и типы полировки. На изображении ниже приведены фотографии различных коннекторов.

Различные типы волоконно-оптических коннекторов

Наиболее часто встречающимися типами волоконно-оптических коннекторов являются следующие: FC, SC, LC, SMA905.

• FC популярен в исследованиях и при сборке научного оборудования благодаря своей надёжности;
• SMA905 в большинстве случаев используется с волокнами большого диаметра (волоконные лазеры, транспортировка излучения высокой интенсивности), в агрессивных средах;
• SC и LC больше подходят для телекоммуникационных применений, их конструкция подразумевает не самое надёжное соединение, но крайне плотное расположение, что необходимо при монтаже сетевого оборудования.

Коннекторы отличаются друг от друга конструкцией:

• Существуют коннекторы как для единичных волокон, так и многоволоконные;
• Используется разное оптическое волокно: SM, MM, PM, LMA, LDF и др.;
  
• Каждое волокно помещается в феррул. Феррулы отличаются материалом, размерами;
  
• В зависимости от применения применяются различные типы полировки. Наиболее распространённые в настоящее время: UPC (Ultra Physical Contact) и APC (Angled Physical Contact);

Основные типы полировки торцов ферул (оптических волокон) и типичный уровень отражения

Для монтажа коннекторов необходимо знать их основные составные части:

• Феррул. Наиболее надёжным материалом считается керамика на основе диоксида циркония;
  
• Корпус коннектора. В зависимости от типа коннектора, корпус, в свою очередь также состоит из различных элементов;
  
• Обжимная гильза. Используется для фиксации сборки;
  
• Защитный колпачок. Отполированную поверхность торца коннектора и волокна необходимо защищать от сторонних воздействий.

Упрощённая конструкция FC/APC коннектора

Подготовка оптического волокна. Монтаж волоконно-оптического коннектора

Существует несколько основных методов монтажа волоконно-оптических коннекторов. В этой статье в качестве примера будет приведена работа с коннектором типа FC - наиболее популярным у разработчиков и пользователей прецизионного оборудования. Схема ниже представляет основные этапы произведения оконцевания волокна/кабеля коннектором. Наша компания в первую очередь специализируется на продаже специального технологического оборудования, прецизионных измерительных приборах. В силу того, что методы использования простых инструментов, таких как скрайберы, скалыватели могут отличаться у разных групп специалистов, главный акцент статьи будет на полировальных станциях и измерительных инструментах, используемых для контроля качества монтажа.

Основные этапы производства патчкорда/пигтейла

Базовый набор инструментов

Переносной набор инструментов для монтажа волоконно-оптических коннекторов

Выбор оптического волокна и кабеля

Оптическое волокно Fibercore (слева); Одножильный волоконно-оптический кабель, 3 мм (справа)

Монтаж коннектора

Существует несколько различных методов монтажа волоконно-оптических коннекторов. Два основных, использующихся в промышленном масштабе, подразумевают использование адгезива. Различие только в типе адгезива: эпоксидном или термоотверждаемом. Другие методы достойны упоминания, но так или иначе подразумевают необходимость заранее подготовить отполированный коннектор с коротким отрезком волокна. Эти модули прикрепляются к оконцовываемому волокну/кабелю механически или с помощью сварного соединения.

Как уже отмечалось выше, в этой статье в качестве примера будет приведена работа с коннектором типа FС. Кабель возьмём также популярный: одножильный с диаметром 3 мм и кевларовыми нитями. Ниже преведён список основных шагов монтажа коннектора перед процессом отверждения и полировки. Обращаем Ваше внимание, что этот алгоритм ни в коем случае не является единственно верным. Он даёт представление о технологическом процессе. Тип коннектора, адгезива, метод нанесения адгезива и многие другие аспекты сильно зависят от применения. Мы рекомендуем использовать имеющиеся в научных статьях рекомендации или выработать свои самостоятельно.

Этапы монтажа перед полировкой:

1. Очистка коннектора. Поместите коннекторы в ёмкость с чистым изопропиловым спиртом. Жидкость должна полностью покрывать коннекторы. Подождите несколько минут, выньте их из спирта и положите на сухую и чистую поверхность. Стряхните спирт и дождитесь его высыхания. Проинспектируйте капилляр с помощью лупы/микроскопа, феррула должна быть абсолютно чистая.
2. Наденьте на фуркационную трубку защитный рукав и обжимную гильзу. Обращаем Ваше внимание, что внутренний диаметр обжимной гильзы, диаметр фуркационной трубки должны соответствовать используемому волокну и друг другу. Например 900 мкм, 2 мм, 3 мм, 3.8 мм.
3. Отрежьте необходимую длину фуркационной трубки. В нашем случае она состоит из внешней ПВХ трубки, кевларовых нитей, внутренней трубки и нейлоновой нити, использующейся для протаскивания оптического волокна. Отрезайте с запасом (около 3 см при монтаже коннекторов с двух сторон). Наиболее удобный инструмент для использования - ножницы для разрезания кевларовых нитей;
4. Подготовка фуркационной трубки. С помощью стриппера снимите около 13 мм ПВХ трубки с каждой стороны. Будьте аккуратны и не повредите внутреннюю трубку, а также избегайте удаления слишком большого количества кевларовых нитей. Затем аккуратно отрежьте внутреннюю трубку таким образом, чтобы её торец с обеих сторон совпадал с краем внешней ПВХ трубки. В очередной раз обращаем Ваше внимание на то, что такие нюансы как длина зачищаемого участка сильно зависят от коннектора, волокна и применения.
   
5. Помещение оптического волокна в фуркационную трубку. Стандартные фуркационные трубки имеют специальные нейлоновые нити для протаскивания оптических волокон в внутренней трубке. Отмерьте отрезок волокна длинее фуркационной трубки, подготовьте спиртом его край и прикрепите его с помощью быстроотверждаемого адгезива к нейлоновой нити. Для свободного протаскивания волокна место клеевого соединения необходимо посыпать тальком. Аккуратно протащите волокно путём натягивания нейлоновой нити с другого конца.
6. Оптическое волокно необходимо очистить от защитного покрытия таким образом, чтобы из торца феррула коннектора выходил отрезок около 1 см. Для снятия покрытия можно использовать различные инструменты. Выбор оптимального устройства зависит от типа волокна и защитного покрытия. Мы предлагаем лучшее в своём роде оборудование для этих целей.
   
7. Тщательно очистите боковую поверхность волокна очищающей жидкостью и безворсовой салфеткой для удаления грязи.
8. Проверьте коннектор, поместив зачищенное волокно в феррул. Проталкивайте волокно, аккуратно проворачивая коннектор. В итоге коннектор должен упереться в фуркационную трубку. Немного обрежьте кевларовые нити, как на рисунке.
9. Подготовьте адгезив. Если это эпоксидный клей - смешайте его. и поместите в шприц-дозатор. Учтите, что для разных типов волокон и коннекторов промежуток времени с момента смешивания эпоксидного клея, подходящий для монтажа коннектора, отличается. Естественно, от самого адгезива это также зависит.
10. Введите клей в феррул. Проденьте иглу шприца-дозатора в коннектор, избегайте излишнего попадания адгезива на область вокруг. Вводите клей до момента появления капли с обратной стороны феррула.
11. Введите волокно в коннектор. Для этого выньте волокно из фуркационной трубки на расстояние около 5 см, вводите волокно плавно, медленно поворачивая коннектор. Это позволит правильно распределить клей внутри феррула. Подвигайте волокном в коннекторе, убедившись в отсутствии надломов. На торце феррула должен обраваться небольшой пузырёк - скопление адгезива.
    
12. Пододвиньте коннектор вплотную к фуркационной трубке. Поместите обжимную гильзу поверх кевларовых нитей вплотную к коннектору как показано на рисунке.
13. Используйте кримпер для фиксации обжимной гильзы.
14. Нанесите совсем немного клея в область между краем обжимной гильзы и поверхностью фуркационной трубки. Таким образом, мы защитим защитный рукав от трения с краем гильзы.
15. Проделайте действия 11-14 для монтажа коннектора с другой стороны.
16. Когда клей застынет, подготовьте коннектор к полировке, сколов излишек волокна чуть выше основного пузырька адгезива, находящегося на торце ферулла.
    

Основные этапы монтажа коннектора перед полировкой

Полировка коннектора

Самым важным этапом оконцевания оптического волокна коннектором является его полировка. От типа и качества полировки зависят такие параметры как вносимые потери, потери на отражение, поляризационные преобразования, качество и долговечность соединения. Полировка коннекторов осуществляется с помощью абразивных плёнок. В случаях, если к соединению не предъявляются высокие требования, технологический процесс можно осуществлять вручную. Обычно при этом используется специальный инструмент, один из таких инструментов представлен на картинке ниже.

Шлифовальная шайба для ручной полировки коннекторов

Работа с прецизионными сборками в области сенсинга, передовых телекоммуникационных систем (например, с квантовой генерацией ключа), волоконных лазеров, усилителей предъявляет серьёзные требования к качеству полировки коннекторов. Использование ручного инструмента, в этому случае, не позволяет достичь необходимых параметров, не говоря о производительности и гибкости.

Наша компания предлагает линейку полировального оборудования от фирмы Krelltech (США). Выбор основан на многолетнем опыте этого производителя в создании как лабораторных, так и производственных систем для полировки коннекторов, оголённых волокон, чипов. Оборудование с лёгкостью справляется с самыми сложными задачами, а техническая поддержка и кастомизация устройств является лучшей на рынке. Ниже представлены четыре системы, подходящие для полировки коннекторов.

Следует отметить:

• NOVA - наиболее универсальная и высокотехнологичная станция. Процесс полировки полностью контролируются с планшета. Помимо полировки коннекторов идеально подходит для подготовки поверхностей оголённых волокон, пластин, чипов. Лучше всего подходит для исследовательских учреждений и высокотехнологичных производств;
• Scepter - станция для массового производства, одновременной полировки большого количества коннекторов. Как и NOVA, программируется и контролируется с компьютера;
• SpecPro - станция для полировки коннекторов. Идеальное соотношение цены и качества. Наиболее востребована у организаций, занимающихся мелкосерийным производством. Работает как от сети, так и от батареи. Может поставляться с компактным переносным кейсом;
• Proton - идеальный инструмент для работы "в поле". Размер, сопоставимый с ладонью, работа от батареи подходит тем, кто занимается монтажом волоконных линий в датацентрах, корпусах кораблей и других тесных помещениях;
  
• Каждый отдельный держатель коннекторов имеет независимую подвеску для обеспечения равномерной механической нагрузки при полировке;
• Держатели имеются на каждый тип коннекторов. В случае необходимости изготовить держатель нестандартного коннектора, Krelltech оказывает такие услуги;
• Держатели сменные, количество одновременно полируемых коннекторов может варьироваться от 1 до 24 (Scepter).
  

Анализ изображения торца коннектора/волокна.

Видеоскопы: интегрированный (слева), с портативным экраном и блоком обработки изображения (справа)

Интерферометр Proview от NorthLab Photonics

Анализ параметров коннекторов

Для анализа таких параметров как вносимые потери, стандартно используют пару "источник оптического излучения - измеритель оптической мощности". Но если изучить вопрос более глубоко, становится понятно, то для анализа качества монтажа коннектора необходим совершенно другой прибор, обладающий высоким разрешением и способностью определить как вносимые потери, так и потери на отражение, поляризационные преобразования, локализовать изгиб. Для этого подходящим устройством является рефлектометр высокого разрешения.

Рефлектометры высокого разрешения LUNA: OBR 4600 (слева) и OBR 6225 (справа)

Приборы серии OBR от компании LUNA предоставляет детальный отчёт о потерях в тракте аналогично OTDR. Однако взаимное положение событий определяется с высокой точностью благодаря преимуществу в разрешении (до 10 мкм) и отсутствию мёртвых зон. Например, в месте расположения второго коннектора наблюдается высокий уровень отражений, что позволяет предположить несоосность расположения сердцевин оптических волокон в месте стыка. Однако разрешение OBR позволяет более детально рассмотреть эту область и определить, что отражение также наблюдается за коннектором в 8 мм от его торца, на трещине в волокне. Её появление, очевидно, связано с наличием механического напряжения в области выхода волокна из феррула.

Вывод