Grzegorz ¯egliński - Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne

Grzegorz Żegliński
Jerzy Gajda
Andrzej Niesterowicz
Instytut Elektroniki, Telekomunikacji
i Informatyki
26 Kwietnia 10, Szczecin
[email protected]
2006
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne
Poznań 7 - 8 grudnia 2006
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.
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.
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
Ferrula
Korpus złączki
Tuleja krępująca
Nasówka ochronna kabla
Rys.1. Budowa złączki światłowodowej FC.
Rys.2. Złączka typu ST.
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°,
Rys.3. Złączka typu SC.
uszkodzenia włókna lub jego niepoprawną pracę np.:
wysunięcie, mimo istnienia kleju, bądź schowanie.
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.
ruchome zwierciadło
wprowadzające
przesunięcie fazowe
laser
półprzewodnikowy
λ=0.665µm
kostka
światłodzieląca
układ optyczny
i badany obiekt
rejestrator CCD obrazu
interferencyjnego
Rys.6. Obszary obliczeniowe czoła ferruli [6].
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.
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
Światłowód
Ferrula
+w
-w
R
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 SCAPC oraz N=397 E2000-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.10. Histogram wysokości sferycznej
dla złączek E2000-APC.
6. PODSUMOWANIE
Rys.8. Histogram wysokości sferycznej
dla złączek FC-APC.
Rys.8. Histogram wysokości sferycznej
dla złączek SC-APC
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 FCAPC, 14% SC-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 323: Examinations and measurements – Fibre
position relative to ferrule endface.
[6] ATOS, GMBH Pfunstadt, Deutchland.