Специализированные оптические коннекторы для суровых условий эксплуатации

Повсеместное внедрение волоконно-оптических методов передачи информации, при построении линий связи различных уровней, связанно с улучшением целого ряда технико-экономических показателей. При этом, всегда актуальным был вопрос соединения волоконных световодов, которое бы обеспечивало высокие технические характеристики, и вместе с тем было бы технологически простым и эффективным. 

При построении магистральных участков, наиболее эффективным методом соединения волокон, простым и ставшим уже де-факто стандартом в отрасли, является сварка оптических волокон. Однако совершенствование методов разъемных соединений, дающих хороший результат, происходило на всем протяжении развития волоконно-оптических технологий. Безусловно, эти соединения должны быть надежны, по возможности просты в изготовлении, обеспечивать минимальные потери и обратное отражение оптического сигнала.

Если речь идет об использовании разъемных соединений в условиях серверных комнат, защищенных шкафов и тому подобных мест, где негативные воздействия на эти соединения минимальны, то стандартных решений на сегодня волне достаточно. 

Это и широко применяющийся сейчас разъем SC, и компактный разъем LC, использующийся сейчас в волоконно-оптических системах большой плотности. Хорошо зарекомендовавшие себя разъемы FC и "дедушка" всех разъемов ST тоже находят себе применение. 

Однако, если речь идет о полевых условиях, когда на разъемное соединения действуют неблагоприятные, а порой и совсем суровые факторы внешней среды, то тут можно выделить два основных технических направления, делающих возможным применение волоконной оптики не только в стационарных, но и в полевых условиях.

Буровые платформы, геологоразведка, стадионы и военные полигоны, природа – вот места эксплуатации бесчисленного множества комплектов оборудования требующего применения волоконно-оптических методов передачи информации. Здесь часто приходится работать в окружении пыли, грязи, воды и агрессивных сред. Аппаратура надежно защищена, а вот соединить ее между собой порой бывает достаточно сложно. Немало сил и времени приходится тратить на поддержание в чистоте и сухости обычных электрических и оптических разъемов. 

В 1999 году, американская компания Amphenol Fiber Systems International (AFSI) по заказу американских вооруженных сил разработала серию коннекторов, явившихся заменой существующих тогда разъемов TFOCA (Tactical Fiber Optic Cable Assembly). Разъем удовлетворял требованиям MIL-C-49292 и дал начало целой серии разработок, объединенных стандартом MIL под номером 83526. 

Разумеется, в основу были положены принципы жесткой защищенной конструкции (усиленный металлический корпус). Гермафродитная конструкция корпуса коннекторов позволяет соединять их между собой без применения адаптеров. Подразумевается использование защищенного полевого кабеля. 

В настоящее время можно много найти разновидностей таких полевых разъемов, находящихся в эксплуатации. В частности можно встретить TFOCA-II разъемы, применяемые в вооруженных силах одной из стран СНГ. 

Их удобно применять при эксплуатации 500-1000М оптических выносов, 

при мобильном развертывании на местности. Подобные разъемы можно встретить и в нефтегазовой промышленности. 

Следует  отметить, что в какой-то степени, к специализированным оптическим коннекторам для суровых условий эксплуатации можно отнести ODC/PDLC/ODLC  разъемы, речь о которых шла в другой статье - "Технология "Волокно к антенне" (Fiber-To-The-Antenna, или FTTA) и оптические коннекторы". Конечно же условия их эксплуатации не столь суровы, однако необходимость защиты нужна несомненна.

Однако в основу непосредственно самого соединения оптических волокон был положен принцип физического контакта:

Феррулы, с находящимся внутри оптическим волокном, должны плотно прижиматься друг к другу, соприкасаться по максимально возможной площади, и при этом центральные части самих волокон должны быть в максимальной степени соосны. Да, в коннекторе теперь максимально возможно защищено место соединения от внешних воздействий, но не решена проблема уязвимости традиционных стыковых контактов к грязи, пыли, воде, маслу и другим загрязнениям.

Однако и эта проблема, как оказалось, имеет решение. В 2008 году стандартом MIL-DTL-83526/20 описан разъем, сконструированный и изготовленный по устойчивой к загрязнению технологии Expanded Beam.

Разъемы Expanded Beam разработаны специально для эксплуатации в жестких условиях. В них используется бесконтактная технология, где волокно полностью герметично и находится позади оптической системы, расширяющей оптический сигнал и сводящей его в параллельный пучок в зоне контакта. Это позволяет свести к минимуму влияние внешних факторов на передаточные характеристики системы, поскольку для многомодового волокна (50/125), расширенный и параллельный световой поток имеет активную площадь около 150 раз больше, чем оригинальная сердцевина световода, а в одномодовом волокне (9/125) расширение активной области светового пучка составляет около 2000 раз больше!

Влияние коллимации и значительное увеличение диаметра пучка означает, что такие разъемы менее чувствительны к мелким частицам пыли и другим загрязнениям, вибрации и перепаду температур, которые могут полностью вывести из строя традиционные коннекторы стыкового типа.

В качестве оптической системы, расширяющей оптический сигнал могут выступать как линзы, так и специальным образом сформированные конические отрезки специального оптического волокна. Однако последние, в силу довольно дорогой и сложной технологии изготовления, не нашли широкого применения.

Схематично, коннектор, использующий технологию Expanded Beam выглядит следующим образом:

Соединители Expanded Beam просты в обслуживании и чистке. Как уже было сказано ранее, соединение является надежным и стойким к воздействию пыли и грязи. В видеоролике ниже показаны примеры экстремального воздействия на разъемы, и они великолепно работают после простой промывки в луже и протирки носовым платком. 

Как видно, утверждение «если пропала картинка – прополощите разъем в луже» имеет прямой смысл.

Продуктовая линейка, встречающаяся на рынке, может включать в себя кабели полевые оптические (КПО), оконцованные соединителями Expanded Beam, полумуфты оптические аппаратные (ПОА) (с фланцем или D-типа) в комбинации с различными промышленными соединителями (LC, FC, ST, SC) в соответствии с потребностями заказчика, кабельные барабаны для полевых тактических кабелей, а так же наборы для полевого ремонта.

Казалось бы, что вот тот самый разъем, который решает все проблемы. Однако не все так замечательно, как кажется на первый взгляд. Давайте посмотрим на сравнительную таблицу технических характеристики контактных разъемов и Expanded Beam:

Как видно из данной таблицы,  бесконтактный дизайн лицевой части оптических коннекторов Expanded Beam приводит к увеличению вносимых потерь, по сравнению с традиционными разъемами. Кроме этого, величина обратных потерь, увы не обрадует инженерный состав, для которого этот параметр может являться критическим.

В итоге можно сказать, что обе технологии, описанные в статье имеют право на существование. Поскольку в русскоязычной части интернета очень мало информации по данной теме, целю данной статьи был очень поверхностный и краткий экскурс на тему специализированных оптических коннекторов и применяемых в данный момент технологиях. 

У каждой технологии есть преимущества и недостатки, а выбор того или иного решения остается за инженером, который обязан знать и уметь применять имеющиеся у него в арсенале решения на основе поставленной перед ним задачи.  

Использованная литература и материалы:

1. http://www.tfoca-tactical-fiber.com/M83526-PRF-Mil-Spec-C-M-DTL.html
2. "Harsh Environment Fiber Optic Connector Selection", William (Bill) Reid
3. "Expanded Beam & Physical Contact Fiber Optic Connectors", Edward Simonini/James Douthit
4. "DIAMOND, Expanded Beam Technologies & Uses", DIAMOND SA, Switzerland
5. "Datamate Mix-Tek с волоконной оптикой по технологии EBOSA™", http://www.k-t-k.ru/index.php?i=17