Grzegorz Żegliński
Jerzy Gajda
Andrzej Niesterowicz
Instytut Elektroniki, Telekomunikacji
i Informatyki
26 Kwietnia 10, Szczecin
gre1@ps.pl
WYNIKI BADAŃ INTERFEROMETRYCZNYCH WYSOKOŚCI
SFERYCZNEJ WŁÓKIEN W ZŁĄCZKACH ŚWIATŁOWODOWYCH
Streszczenie: W pracy przedstawiono wyniki badań
interferometrycznych wybranych typów złącz światłowodowych. Analizowano parametr wysokości sferycznej: wysunięcie i podcięcie. Zakończenie toru światłowodowego w celu podłączenia takich elementów jak izolatory, sprzęgacze, wzmacniacze optyczne odbywa się za pośrednictwem złącz światłowodowych. W pracy przedstawiono wyniki parametru dla złączek różnych producentów.
1. WSTĘP
Rozwój złącz światłowodowych oraz wymagania stawiane traktom światłowodowym powodują rozwój technologii złącz światłowodowych. Pomiar takich parametrów jak tłumienność i reflektancja złączek jest nie wystarczające w stosunku do obecnie stawianych wymagań na określoną jakość złączek. Standardem stają się pomiary geometryczne wykonywane w układzie interferometrycznym z uwagi na dużą dokładność pomiarową. W pracach [1-4] wykonanych w ostatnich kilku latach zaprezentowano problematykę pomiarów interferometrycznych. Pomiary interferometryczne wykonywano zgodnie ze standardami międzynarodowymi IEC [5]. Jednym z ważniejszych parametrów, który decyduje o parametrach transmisyjnych złącza oraz ma duży wpływ na odporność klimatyczną i mechaniczną jest wysokość sferyczna. Parametr ten ma duży związek z jakością i technologią wykonanych złącz światłowodowych
2. ZŁĄCZKI ŚWIATŁOWODOWE
Najczęściej stosowane złączki światłowodowe w sieciach optotelekomunikacyjnych oraz sieciach światłowodowych to: ST, FC, SC, E-2000. Można spotkać również złączki: F-3000, LC, MT-RJ, MU, DIN, AVIO/AVIM, MFS, MPO, MTP, D4, F-SMA, ESCON, FDDI, VFO, EC/RACE, HRL-11. Ze względu na metodę szlifowania czoła ferruli wyróżniamy złączki pa płaskie typu PC, SPC, UPC i kątowe APC 8°, APC 9°,
APC 12°, APC 14°. Budowę złączki FC zaprezentowano na rysunku 1. Elementem istotnym jest ferrula, w której znajduje się włókno światłowodowe. Ferrula najczęściej jest wykonana z ceramiki cyrkoniowej. Spotykane są również inne typy ferrul jak metalowe, czy też plastikowe. Najczęściej spotykane obecnie ferrule mają średnicę 2.5mm. Na rysunkach 2-4 pokazano inne popularne typy złączek.
Nasówka ochronna kabla Tuleja krępująca
Ferrula Korpus złączki
Rys.1. Budowa złączki światłowodowej FC.
Rys.2. Złączka typu ST.
Rys.3. Złączka typu SC.
2006
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 7 - 8 grudnia 2006
Rys. 4. Złączka typu E-2000.
3. UKŁAD POMIAROWY
Układ pomiarowy oparty jest na interferometrze Michelsona. Światło odbite od czoła mierzonej ferruli interferuje z wiązką podzieloną i odbitą o ruchomego zwierciadła. Obraz jest rejestrowany dla czterech wartości przesunięcia fazowego π/2, π, 3π/4, 2π.
Zarejestrowane obrazy pozwalają na dokładną rekonstrukcję powierzchni 3D ferruli złączki w okolicy włókna światłowodowego. Budowę interferometru pokazano na rys. 5.
Rys. 5. Interferometr pomiarowy oparty na interferometrze Michelsona
Dokładność pomiarowa wysokości sferycznej wynosi 1nm w badanym układzie. Układ może być kalibrowany na bieżąco. Zarejestrowane obrazy podlegają analizie wykonywanej za pomocą komputera współpracującego. Pomiar nie przekracza 1s [6].
4. WYSOKOŚĆ SFERYCZNA
Obliczenie wysokości sferycznej związane jest z analizą numeryczną zarejestrowanych obrazów interferencyjnych w trzech obszarach obliczeniowych oznaczonych na rysunku 6 jako D, E i F. Obszar D dotyczy analizy powierzchni czoła ferruli pod kątem promienia krzywizny oraz innych parametrów jak kąt szlifowania, najwyższy punkt sfery, odległość punktu sfery od osi światłowodu. Parametry te mają znaczenie na pracę złącza. Obszar obliczeniowy E dotyczy światłowodu i jego otoczenia w postaci kleju oraz otworu ferruli. Obszar F dotyczy czoła włókna światłowodowego. Pozwala stwierdzić ewentualne
uszkodzenia włókna lub jego niepoprawną pracę np.: wysunięcie, mimo istnienia kleju, bądź schowanie.
ruchome zwierciadło wprowadzające przesunięcie fazowe laser półprzewodnikowy λ=0.665µm kostka światłodzieląca
Rys.6. Obszary obliczeniowe czoła ferruli [6]. układ optyczny
i badany obiekt
Analiza przestrzenna pozwala numerycznie rozwinąć powierzchnię czoła ferruli i określić parametr wysokości sferycznej, wyrażany najczęściej w postaci podcięcia włókna światłowodowego lub wystawania włókna światłowodowego (rys. 7). Według zaleceń IEC parametr w nie powinien przekroczyć 100nm.
rejestrator CCD obrazu interferencyjnego R +w -w Światłowód Ferrula
Rys.7. Wysokość sferyczna (wystawanie lub podcięcie włókna).
5. WYNIKI POMIARÓW
Prezentowane wyniki dotyczą złącz kątowych pochodzących od różnych producentów. Przedstawione wyniki dotyczą złącz FC-APC, SC-APC, E2000-APC. Złącza te są dość powszechnie używane w sieciach telekomunikacyjnych oraz komputerowych. Wyniki przedstawiono dla N=168 złącz FC-APC, N= 406 SC-APC oraz N=397 E2000-SC-APC. Średnie wartości wysokości sferycznej wyniosły odpowiednio dla wyżej wymienionych złącz -16.7nm, -13.5nm, +33.3nm. Histogramy mierzonego parametru pokazano na rysunkach 8-10.
Rys.8. Histogram wysokości sferycznej dla złączek FC-APC.
Rys.8. Histogram wysokości sferycznej dla złączek SC-APC
Rys.10. Histogram wysokości sferycznej dla złączek E2000-APC.
6. PODSUMOWANIE
Z analizy otrzymanych wyników dla 971 złącz wynika, że parametr ten dość często przekracza wartość zakładaną zgodnie ze standardami IEC (w=100nm). Standardu nie spełnia 28% przebadanych złączek FC-APC, 14% SC-FC-APC, 21% złączek E2000-APC. Zdarzają się złączki dla których przekroczenia te są rzędu 3-4 razy. 37% złącz charakteryzowało się podcięciem, a 63% wysunięciem. W trakcie prowadzonych badań stwierdzono, że ma to duży wpływ wynik badań odporności na wibracje oraz odporności na zmiany temperatury w zakresie -400- +700C. Należy wnioskować, że złącza tego typu poddane narażeniom środowiskowym mogą spowodować zmian parametrów transmisyjnych. Wpływ na ogólny wynik tych badań mają również inne parametry geometryczne, jakość użytego kleju oraz proces technologiczny.
Przeprowadzone badania na wielokrotne łączenie i rozłączanie wykazują zmianę parametru wysunięcia na podcięcie w przypadku złącz przekraczających wartość 100nm. Badania przeprowadzono dla 1000 łączeń i rozłączeń. Złącza najlepsze w niewielkim stopniu mają zmniejszoną wartość tego parametru. Przykład pracy złącza złożonego z dwóch półzłączek i adaptera dla przypadku przekroczenia wartości wysokości sferycznej pokazano na rysunku 11. Złącze poddano 5 cyklom zmiany temperatury. Pojedynczy cykl trwał 6 godzin: 3 godziny w temperaturze -400C i 3 godziny +700C. Według standardu IEC zmiana tłumienności złącza nie powinna przekroczyć 0.2dB podczas tego testu. Zbyt
duża wartość wysunięcia spowodowała, że złącze odtworzyło przebieg zmian temperaturowych. Wartość tłumienności po teście wzrosła blisko pięciokrotnie.
Rys.11. Wykres zmian tłumienności złącza o dużych wartościach podcięcia w czasie testu klimatycznego.
Reasumując problematyka zaprezentowana w niniejszym artykule jest istotna szczególnie w "świetle" najnowszych wymagań jakie stawia się złączkom światłowodowym np.: zachowanie stanu polaryzacji.
LITERATURA
[1] Gajda J., Niesterowicz A., Żegliński G.-
„Interferometryczne urządzenie do pomiaru jakości światłowodowych złączek rozłącznych”,
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne '2000: referaty, Poznań: PP, 2000. S. 2.1-1 - 2.1-5, 2000. [2] Gajda J., Niesterowicz A., Żegliński G. –
„Badania interferometryczne złączek światłowodowych”, Krajowe Sympozjum
Telekomunikacji '2001. [T.] C. 4. Problemy sieciowe; 5. Systemy komutacyjne, 2001.
[3] Gajda J., Niesterowicz A., Żegliński G.-
„Interferometryczna ocena jakości wykonania złącz rozłącznych”, VII Sympozjum Techniki
Laserowej: Komunikaty, Szczecin: Wydaw. Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, 2002. [4] Żegliński G., Gajda J., Niesterowicz A., Pomiary
parametrów geometrycznych złącz światłowodowych, 8 Sympozjum Techniki
Laserowej- komunikaty, Szczecin-Świnoujście, s.225-230, 2006.
[5] IEC 61300-3-23 (1998-04). Fibre optic
interconnecting devices and passive components - Basic test and measurement procedures Part 3-23: Examinations and measurements – Fibre position relative to ferrule endface.
