Методы неразъемного соединения оптоволокна: преимущества и недостатки

На рынке систем безопасности все большую популярность получают системы передачи сигналов по каналам оптоволоконных линий связи, которые имеют ряд несомненных преимуществ: широкая пропускная способность, большая дальность передачи сигнала, коррозионная стойкость. Но существенным недостатком таких систем является сложность их монтажа, особенно в части соединения волокон кабеля.

В настоящее время разработано несколько способов соединения оптических волокон, которые можно разделить на два класса: разъемные и неразъемные. Неразъемные соединения осуществляются методами сварки и склеивания, а также с помощью механических соединителей. Такие способы имеют свои сильные и слабые стороны, каждый из них предоставляет определенные возможности, без знания которых достаточно трудно эффективно решать поставленные задачи.

Соединения оптических волокон с помощью сварки

Наиболее распространенным способом монтажа оптоволокна является соединение при помощи сварки. В процессе сваривания оптических волокон происходит помещение концов соединяемых нитей в поле мощного источника тепловой энергии с последующим их оплавлением. Широко применяется сваривание в пламени газовой горелки, в поле электрического разряда, в зоне мощного лазерного излучения.

Международная электротехническая комиссия предлагает считать для сварного соединения оптических волокон, полученного в полевых условиях, максимальную величину вносимых потерь не более 0.2 дБ (IEC 1073-1). При современном развитии технологии сварки оптических волокон этот показатель может быть достигнут даже теми специалистами, которые не обладают значительным опытом сварки оптических волокон – современное высокотехническое оборудование и отработанная технология монтажа позволяет получать соединения с потерями в них, равными 0.02-0.15 дБ.

Основные этапы проведения работ:

• зачистка кабеля, удаление защитных оболочек;
• подготовка торцевых поверхностей соединяемых оптических волокон;
• установка защитной термоусаживаемой трубки на одно из волокон (если длина волокна незначительная, то защитную трубку можно установить позднее);
• размещение оптических волокон в сварочном аппарате либо в направляющей колодке;
• юстировка свариваемых оптических волокон. Существуют 2 метода юстировки:
  • пассивный способ – юстировка предусматривает выравнивание сердцевин свариваемых оптических волокон по их геометрическим размерам;
  • активный способ – основан на достижении минимальных потерь при пропуске через место соединения тестового оптического сигнала;
• предварительное оплавление торцов оптических волокон (для ликвидации микротрещин и неровностей, возникающих в процессе скалывания);
• непосредственное сваривание оптических волокон;
• оценка качества сварки (при помощи микроскопа, рефлектометра);
• защита места сварки одного волокна с помощью термоусаживаемой гильзы;
• нанесение защитных оболочек кабеля, либо укладка в сплайс-пластину, кассету.

Рассмотрим три основных способа соединения при помощи сварки.

Сварка оптоволокна при помощи газовой горелки

Данный способ позволяет получить соединения, отличающиеся высокой механической прочностью. Но вместе с тем технологически сложно создавать зону нагрева малого объема, что в итоге приводит к термической деформации волокон и не позволяет добиться точной юстировки. При сваривании одномодового волокна даже незначительное смещение центров волокон относительно друг друга приводит к большой величине вносимых потерь, поэтому способ сварки при помощи газовой горелки широко применяется при монтаже многомодовых оптических кабелей.

Сварка при помощи газовой горелки экономична, может быть использована без специального дорогостоящего оборудования, но требует от специалиста соответствующих. Из-за тенденции все более широкого применения одномодовых каналов передачи данных этот способ монтажа применяется все реже и реже.

Сварка оптоволокна в поле электрического разряда

В настоящее время большинство сварочных аппаратов используют электрических разряд (электрическую дугу) для нагрева и сваривания оптоволокон. Использование сварочного аппарата позволяет получить качественное, долговечное соединение при невысоких затратах. Также важным критерием является быстрота работы и легкость освоения технологии сварки – компании могут отказаться от услуг сторонних организаций.

Недостатком описываемого способа является необходимость покупки недешевого оборудования – современный сварочный аппарат стоит от 10 000 долл. и выше, что влечет за собой "замораживание" оборотных средств и высокие амортизационные отчисления, большую стоимость ремонтных работ (при случаях, выходящих за рамки гарантийного обслуживания). При использовании аппарата для сварки оптических волокон необходимо соблюдение условий по температуре окружающей среды, влажности, отсутствию вибрации. Для обеспечения высокого качества сварочных работ необходимо обеспечить напряжение питания от сети переменного тока с незначительными отклонениями от номинала.

Сварка оптоволокна при помощи лазера

Наилучший результат дает сварка аппаратами, в которых нагрев осуществляется при помощи мощного лазерного излучения. В отличие от электрической дуги на лазерный луч не влияют магнитные поля – это обеспечивает более стабильное формирование сварочного шва, что позволяет получать сварной шов с малыми размерами вносимых потерь (0.05 дБ и менее).

Из-за высокой стоимости оборудования и относительно больших размеров сварочных аппаратов данный метод применяется только при создании высокоскоростных ВОЛС и при построении систем передачи данных на большие расстояния, когда требуется соединение с исключительно низкими потерями.

Соединение оптических волокон методом склеивания

Для монтажа оптических волокон при помощи клеевых соединений используют совмещение оптических волокон в фиксирующих устройствах с последующим склеиванием. В качестве устройств фиксации чаще всего используют тонкие трубки, внутренний диаметр которых чуть больше размера оптических волокон (капилляры). Также в качестве фиксирующего устройства применяется пластина с V-образной канавкой или несколько стержней (обычно три) в качестве направляющих.

Технология получения соединения методом склеивания с использованием капиллярной трубки предусматривает выполнение из следующих этапов:

• зачистка кабеля, удаление защитных оболочек;
• подготовка торцевых поверхностей соединяемых оптических волокон;
• ввод окончаний оптических волокон в капилляр;
• наполнение капилляра или места соединения иммерсионной жидкостью, гелем или клеем;
• регулирование соединения, юстировка оптических волокон;
• введение в капилляр клеевого состава;
• цементирование клеевого состава при помощи ультрафиолетового излучения;
• нанесение защитных оболочек кабеля, либо укладка в сплайс-пластину, кассету.

Клеевой состав, используемый для сращивания оптических волокон, обеспечивает фиксированное положение соединенных оптических волокон, защищает место сращивания от воздействия окружающей среды, гарантирует прочность сростка при воздействии нагрузок в осевом направлении.

Основное достоинство клеевого метода соединения – оперативность, компактность и низкая стоимость набора для монтажа, возможность проведения ремонтных работ в труднодоступных местах. Соединение обладает высокой механической стойкостью к внешним нагрузкам. При склеивании не происходит деформация оптических волокон, что позволяется добиться малых потерь в местах стыка. Но высокая чувствительность к изменениям температуры и воздействию влажности ограничивает срок службы соединения, что в итоге не позволило широко распространиться данному методу. В настоящее время он уступил свои позиции методу соединения оптических волокон с помощью механических соединителей.

Механические соединители оптических волокон

Механические соединители разрабатывались как более дешевый и быстрый способ сращивания оптических волокон. На сегодняшний день сварка при помощи сварочного аппарата позволяет выполнять соединение оптических волокон с минимальными потерями. Но зачастую бывают ситуации, когда на объекте нет сварочного аппарата или применение даже малогабаритных устройств затруднено (при ремонте отрезка ВОЛС внутри ограниченного объема пространства).

Механические соединители представляют собой конструкцию для сращивания оптических волокон, которая имеет вытянутую форму и канал для световодов. Канал заполняют тиксотропным гелем для защиты от попадания пыли и влаги, при этом гель обладает иммерсионными свойствами – его показатель преломления близок к показателям сердцевины оптических волокон, что снижает потери на стыке. Волокна запускают в соединитель с двух сторон, юстируют и после их соприкосновения дополнительно фиксируют с помощью защелок различных форм и конструкций.

Процедура монтажа включает в себя следующие операции:

• разделка кабелей;
• снятие буферных покрытий соединяемых оптических волокон на участках длиной, рекомендуемой производителями оптических соединителей конкретного типа;
• скалывание оптических волокон;
• проверка качества скола волокон;
• введение соединяемых волокон в отверстия с направляющими;
• позиционирование волокон в соединителе для достижения оптимальных параметров соединения;
• фиксация оптических волокон в соединителе;
• тестовые измерения соединения.

Величина затухания сигнала при таком методе соединения больше, чем при сварке оптоволокна – даже у опытного монтажника они могут составлять выше 0.1 дБ (допустимыми считаются потери до 0.3 дБ).

К преимуществам механических соединителей оптических волокон относят более широкий диапазон условий, при которых возможно проведение качественного монтажа, компактность и низкая стоимость набора для монтажа. Механические соединители некоторых производителей допускают многоразовое использование. Вносимые потери при этом методе соединения волокон меньше, чем при использовании пары волоконно-оптических вилок и адаптера. Со временем из-за смещения волокон внутри соединителя или высыхания иммерсионного геля потери в месте соединения волокон могут увеличиться, поэтому данный тип соединения рекомендуется использовать для временного восстановления повреждений на оптических линиях. Впрочем, известны случаи, когда сросток, сделанный при помощи механических соединений, работал 3 года и более и параметры передачи сигнала полностью устраивали собственника объекта.

С.А. Карачунский, руководитель отдела маркетинга компании "В1 электроникс"