Обратное отражение и контакты типа PC, Super PC, Ultra PC, APC

Рассеяние не только ведет к ослаблению проходящего сигнала, но и увеличивает обратный световой поток. Обратное отражение, как правило, начинает сказываться в оптических линиях широкополосной цифровой передачи, широкополосной аналоговой передачи, или в магистральных линиях с большим числом разъемных сопряжений. Для построения таких линий, в основном, используется одномодовое волокно. Сильное обратное отражение от стыков соединителей может взаимодействовать с активной средой лазерного передатчика и, в конечном итоге, приводить ненужным дополнительным световым сигналам. В абонентских широковещательных сетях кабельного телевидения, использующих широкополосные (до 1 ГГц) аналоговые оптические передатчики, такая обратная связь приводит к паразитной интерференции передаваемых сигналов, в результате чего, например, ухудшается качество видеоизображения. При цифровой передаче обратное рассеяние менее критично, однако суммарный эффект обратного рассеяния на нескольких стыках соединителей может быть причиной потери битовой информации на приемном устройстве.

Обратное отражение является вторым по пагубности фактором после вносимых потерь. Коэффициент обратных потерь R определяется как R=P_r/P_in, а потери на обратном отражении или просто обратные потери b-определяются как b=10lgR=10lgP_r/P_in [дБ], где P_r - интенсивность отраженного излучения, P_in - интенсивность излучения на входе соединения. Знак минус (в отличии от соотношения для вносимых потерь) здесь намеренно отсутствует, что ведет к отрицательным значениям для обратных потерь. Лучшими характеристиками обладает соединение с более низкими вносимыми потерями (ближе к 0 дБ) и более низкими (более отрицательными) обратными потерями.

Основным фактором, вносящим вклад в обратное отражение, является френелевское отражение вследствие зазора (обычно воздушного) между торцами волокон. Наиболее общее выражение для коэффициента отражения имеет вид

R_F=(n₁²- n²)² sin²(2πnS/λ)/4n₁²n²+(n₁²- n²)² sin²(2πnS/λ), (2-9)

где n₁ - показатель преломления волокна (одинаковый для обеих сторон), n - показатель преломления среды в зазоре (рис.2.4.). Обычно пренебрегают разницей в показателях преломления между волокнами при разъемном соединении. Заметим, что R_F+D _F=1, что соответствует закону сохранения энергии. Непараллельность торцов приводит к разным значениям зазора S для разных участков сердцевины. В этом случае, происходит усреднение по осцилляциям синуса, а обратные потери определяются как

b_F=-10lgR_F=-10lg((n₁-n)²/(n₁²+ n²)) [дБ]. (2-10)

При n₁=1,5 и n=1,0 они равны -11 дБ. Коэффициент отражения может обращаться в нуль при ненулевых значениях зазора S, когда аргумент синуса кратен π. Однако это практически невозможно достичь. Более того, это выполнялось бы только для одной длины волны или ее узкой окрестности. Поэтому, только путем уменьшения величины зазора можно достичь более низких значений коэффициента отражения и, соответственно, обратных потерь. В табл. 3.1 приведены значения обратных потерь для разных отношений зазора и длины волны.

Таблица 3.1. Зависимость френелевского отражения от величины зазора

(n₁=1,5; n=1,0; рис. 2.4)

S/λ	Коэффициент передачи, DF	Вносимые потери, aF, дБ	Коэффициент отражения, RF	Обратные потери, bF, дБ
0,250	0,85207	0,69524	0,14793	-8,3
0,100	0,94341	0,25298	0,05659	-12,5
0,050	0,98369	0,07141	0,01641	-17,9
0,020	0,99728	0,01183	0,00272	-25,7
0,010	0,99932	0,00297	0,00068	-31,6
0,005	0,99983	0,00074	0,00017	-37,7
0,002	0,99997	0,00012	0,00003	-45,6
0,001	0,99999	0,00003	0,00001	-51,6

При малых значениях S/λ (S/λ<0,1) вклад френелевского отражения во вносимые потери пренебрежимо мал, тем не менее именно френелевское отражение является главным фактором обратных потерь.

Значительное уменьшение зазора достигается при сферической поверхности торцов, что позволяет обеспечить физический контакт (physical contact, PC) волокон [2]. Почему не использовать плоскую поверхность торцов? Потому, что на практике создание очень близких к нормали поверхностей затруднительно. Более вероятно, что торцы обоих наконечников будут иметь небольшие отклонения, но вполне достаточные, чтобы образовался зазор между сердцевинами волокон, рис. 2.5 а. Так отклонение на угол φ=0,05 между плоскостями наконечников приводит к зазору около 1 мкм (диаметр наконечника 2,5 мм). При сферической поверхности торцов соприкосновение всегда происходит в окрестности светонесущей седцевины волокон,

рис. 2.5 б.

Существуют три градации физического контакта, отличающиеся уровнем потерь на обратном отражении: PC < -30 дБ; Super PC < -40 дБ;

Ultra PC < -50 дБ. Из табл.3.1 можно оценить какие зазоры соответствуют этим градациям.

Радиус кривизны R при PC-соединении может находиться в диапазоне от 15 до 25 мм. Причиной различных значений является не технология процесса полировки, а разные требования, предъявляемые к разным конструкциям и элементам соединителей (например, к керамическим и металлическим наконечникам).

Обратное рассеяние может быть еще больше уменьшено при использовании углового (наклонного) физического контакта (angled PC, APC), рис. 2.5 в. При наклонном торце даже в том случае, когда нет физического контакта, сильный отраженный сигнал не распространяется обратно по сердцевине волокна, а попадает в оболочку. Угол наклона θ наконечника определяется как угол между осью световодной сердцевины и нормалью к плоскости, касательной в точке поверхности, где находится сердцевина, рис. 2.5 в. Потери на обратном отражении для APC обычно меньше -60 дБ, а типичные значения могут быть - 75 дБ.

Радиус кривизны R для APC может находиться в диапазоне от 5 до 15 мм. Уменьшение радиусов кривизны по сравнению с PC объясняется тем, что меньший радиус кривизны обеспечивает большую вариацию угла

∆θ=θ₁- θ₂ между наконечниками при сохранении физического контакта. При использовании ступенчатого одномодового волокна угол наклона θ составляет 8⁰, что приводит к потерям на обратное отражение в районе

-70 дБ. Что касается волокна со смещенной дисперсией, то оно имеет большие числовые апертуры по сравнению со ступенчатым. Поэтому при использовании одномодового волокна со смещенной дисперсией для того, чтобы обеспечить такие же низкие потери на обратном отражении, угол наклона делают больше - стандартизировано значение 12⁰ [3] .

Из-за более сложной процедуры изготовления стандарт APC не получил еще достаточного распространения. Однако в широкополосных абонентских сетях HFC, а также в ультраскоростных оптических магистралях (до 1 Гбит/с и более) рекомендуется использование стандарта APC.

К росту обратного отражения ведет большое количество микротрещин на торцевой поверхности волокна. Уменьшать их количество можно, выбирая оптимальную технологию полировки поверхности наконечника.

Дата добавления: 2015-07-11