Глава 6. Соединители и разветвители

6.3 Причины возникновения потерь в соединении

Существует две причины возникновения потерь в волоконно-оптическом соединении:

·        Внутренняя, или связанная с нестабильностью параметров самого волокна.

·        Внешняя, связанная непосредственно с соединителем.

6.3.1     Внутренние причины

Рассматривая соединение одного волокна с другим, исходят из того, что оба волокна являются идентичными. Однако обычно это не так. Производство волокон оставляет некоторые допуски на воспроизводимость их параметров, варьирующихся в установленных пределах вблизи специфицированных значений.

Потери, связанные с рассогласованием апертуры (NA), происходят, если NA передающего волокна больше апертуры принимающего. Потери, связанные с рассогласованием диаметров ядер, возникают, когда диаметр ядра передающего волокна больше диаметра принимающего волокна. Возникают также потери, связанные с несовпадением размеров оптических оболочек, при этом оси волокон децентрируются.

Возможным источником потерь является также концентричность размещения волоконного ядра внутри оптической оболочки. В идеале оси ядра и оптической оболочки должны совпадать. Рассогласование, связанное с концентричностью, определяется расстоянием между центрами ядра и оптической оболочки.

Эллиптичность (отклонение от формы идеального круга) формы ядра и оптической оболочки также является источником потерь. Взаимное расположение двух ядер эллиптической формы зависит от взаимного размещения двух волокон. При одном соединении оси эллипсов могут быть перпендикулярны, тогда потери максимальны. В другом случае оси эллипсов могут повернуться и совпасть, тогда потери будут отсутствовать. Допустимые значения эллиптичности ядра и оптической оболочки равны отношению минимального значения диаметра к максимальному.

Данные вариации параметров существуют в каждом волокне, несмотря на технологический контроль, позволяющий избегать недопустимых отклонений этих параметров. За последние несколько лет технология изготовления была существенно улучшена, и диапазоны варьирования параметров волокна существенно сузились. Например, 125-мкм волокно ранее имело допустимое отклонение диаметра оптической оболочки ±5мкм, так что реальный диаметр волокна менялся от 120 до 130мкм. Соединение двух таких волокон при максимальном рассогласовании приводит к потерям в 0.6дБ. В настоящее время нормальным допуском является ±2мкм, приводящий к отклонению размера от 123 до 127 мкм и к максимальным потерям в 0.28дБ. Допустимое отклонение в ±0.1мкм уменьшает возможные потери до 0.1дБ.

Указанные потери являются максимально возможными и могут не возникать в большинстве случаев, поскольку вероятность соединения двух волокон с максимальным рассогласованием достаточно мала.

6.3.2      Внешние факторы

Сами соединители также привносят определенные потери в соединение. Основные четыре причины возникновения потерь в соединителе, которые необходимо контролировать:

Боковое смещение

Если центральная ось одного волокна не совпадает с центральной осью другого, то неизбежно возникновение потерь. Допустимое рассогласование становится меньше при уменьшении размера волокна. Очевидно, что контроль бокового смещения особенно затруднен в волокнах малого диаметра. Производители соединителей стремятся ограничить смещение до уровня менее 5% от диаметра ядра.

Зазор между сколами

Соединение двух волокон, разделенных небольшим зазором, подвержено двум видам потерь.

Первый – это френелевское отражение, связанное с разницей показателей преломления волокон и среды в зазоре (обычно воздух). Френелевское отражение происходит как на выходе из первого волокна, так и на входе во второе волокно. В стеклянных волокнах, разделенных воздушным зазором, потери от френелевского отражения составляют около 0.34дБ. Френелевские потери могут быть существенно снижены при использовании в зазоре жидкости с согласованным показателем преломления.

Второй вид потерь в многомодовых волокнах связан с потерей мод высокого порядка при прохождении светом зазора и на входе в ядро второго волокна. Величина потерь, связанных с этим эффектом, зависит от величины NA волокон. Волокно с большим значением NA не допускает столь большого зазора между волокнами при том же уровне потерь, что и волокно с меньшим значением NA.

В идеале для уменьшения потерь волокна следует соединять вплотную. В большинстве неразъемных соединителей волокна действительно устанавливают вплотную. В разъемах иногда нужен небольшой зазор для предотвращения появления царапин на сколе при подключении.

Угловое рассогласование ориентации осей

Сколы обработанных волокон должны быть перпендикулярны осям волокон и параллельны друг другу при соединении. Уровень потерь, связанных с угловым рассогласованием ориентации осей относительно друг друга также определяется NA волокон. В данном случае влияние NA  противоположно эффекту наличия зазора между волокнами. Здесь большее значение NA допускает большее угловое рассогласование для ограничения потерь на том же уровне, что и в случае меньшего значения апертуры.

При правильном использовании соединителя угловое рассогласование ориентации практически исключается, так что связанные с этим эффектом потери существенно меньше потерь, связанных с боковым смещением. Дело в том, что при скалывании волокна и полировке стекла контролируется перпендикулярность поверхности по отношению к оси волокна.

Гладкость поверхности скола

Поверхность скола должна быть гладкой и не содержать дефекты типа трещин, выбоин и заусениц. Неровная поверхность разрушает геометрическую картину световых лучей и рассеивает их, что затрудняет ввод лучей во второе волокно.