Недорогие компоненты оптоэлектроники для оптоволоконных соединений компании Agilent Technologies

В настоящее время волоконно-оптические линии связи нашли широкое применение в промышленности и повседневной жизни. Без них немыслимы современная телефония, компьютерные сети, Интернет. Неоспоримые преимущества оптического волокна как средства передачи сигнала определяют постоянно растущее число его применений, что, с другой стороны, усиливается снижением цен на оптоволоконные компоненты. Компания Agilent Technologies традиционно представляет недорогие компоненты, унаследованные от компании Hewlett-Packard, для оптоволоконных соединений со скоростями сигнала от 0 до 160 Mбод и расстояниями до 5 км. Материалы, представленные в данной статье, помогут выбрать компоненты для разработки устройств передачи данных в промышленности, системах автоматизации, медицине, а также в нестандартных системах управления.

Основные приложения

Применение оптического волокна для передачи данных имеет ряд преимуществ по сравнению страдиционным способом передачи по медным кабелям, в основе которых лежат фундаментальные физические свойства оптических волноводов и света как носителя сигнала. В определенных условиях решение конкретной задачи можно получить только на основе оптоволоконных соединений.

Рассматриваемые соединения строятся на основе трех типов волокон: кварцевого волокна с характерными размерами световода 62,5/125 мкм, волокна HCS (Hard Clad Silica) с диаметром световода 200 мкм и пластикового оптоволокна с диаметром световода 1 мм. Первый вид волокна обеспечивает максимальную дальность передачи, но из-за малых характерных размеров требует повышенной точности при оконцевании, что, соответственно, ведет к повышению трудоемкости и затрат. Волокна HCS диаметром 200 мкм менее требовательны к точности, но все же достаточно трудоемки в обработке. Преимуществом пластикового оптического волокна является простота разделки и обработки при оконцевании собственными силами. Другие преимущества оптических волокон связаны со свойствами пластикового оптического волновода как среды распространения сигнала.

Различные задачи предъявляют различные требования к используемым компонентам и материалам, и существует несколько причин использования волоконной оптики.

• Одним из случаев применения оптического волокна является защита данных при передаче в условиях повышенного электромагнитного шума. Например, напроизводстве при наличии силовых установок, генерирующих сильные электромагнитные помехи (электромоторов, электромагнитов и т.п.), соединение управляющего компьютера и программируемого логического контроллера может оказаться затрудненным из-за искажения или потери данных. Особенно это вероятно при прокладке линий передачи на основе коаксиального кабеля или кабеля на витой паре вдоль силовых кабелей в одном кабельном канале. Электромагнитный шум может вызывать периодические ошибки или полную потерю данных. Прокладка в этих условиях оптоволоконного кабеля позволяет полностью исключить влияние нежелательного шума от силовых линий налинии данных и обеспечить передачу без ошибок.
• Другой пример эффективного применения оптического волокна — снижение нежелательного электромагнитного излучения от линии передачи, поскольку оптическое волокно не излучает электромагнитные волны в пространство. Это свойство оптоволокна можно использовать, например, когда нужно обеспечить надежную защиту данных от посторонних или обеспечить отсутствие влияния широкополосных линий передачи данных друг на друга и близко расположенные устройства.
• Невосприимчивость к электромагнитному шуму и практически нулевое излучение от оптоволоконной линии связи позволяет избавляться от многих проблем при построении систем со значительным количеством модулей, принимающих и передающих большие потоки информации. Это могут быть коммутационные узлы телефонных станций, информационные табло, панели и экраны, телевизионные студии ит.п.
• Второй вид задачи, где может успешно применяться волоконная оптика, — это изоляция отвысоких напряжений. Примером может быть вольтметр для безопасного измерения высоких напряжений или разности высоких потенциалов. Такой вольтметр состоит из двух частей: модуля преобразования измеренного напряжения в цифровой сигнал — аналого-цифрового конвертера АЦК, и модуля управления и отображения информации. Соединение АЦК и модуля управления с помощью оптического волокна, благодаря его высоким изоляционным свойствам, обеспечивает защиту модуля управления от высоких напряжений и безопасную работу для персонала.
• В медицинских приложениях используются невосприимчивость к электромагнитному излучению и изолирующие свойства оптических волокон. Например, оптоволоконное соединение используется при передаче информации от датчиков на теле пациента к электрокардиографу для изоляции прибора и сохранения данных неискаженными во время возможого применения дефибриллятора. Другой пример применения оптоволокна в медицинской технике—это соединение блока управления и высоковольтной части рентгеновского аппарата. В этом случае такое соединение обеспечивает защиту от высоких напряжений итоков и неизбежно возникающего избыточного электромагнитного излучения, что позволяет безопасно и без сбоев управлять аппаратурой.
• И наконец, оптоволоконные соединения в наши дни все шире применяются в офисной и бытовой технике: компьютеры оснащаются широкополосными оптическими видеовыходами для соединения с видеомониторами высокого разрешения; оптические интерфейсы становятся нормой всовременных CD- и DVD-проигрывателях, усилителях, телевизорах, домашних кинотеарах. Такие соединения делают возможным воспроизведение видео и звуковой информации с высочайшим качеством иполным отсутствием шумов и искажений.

Приемные и передающие модули

Для разных задач и волокон были разработаны три группы приемных и передающих модулей, различающихся по сложности, форме оптического коннектора и, в конечном итоге, по цене. Такой подход обеспечивает рациональный и экономически эффективный выбор компонентов в зависимости от конкретной задачи.

Конструкция «Универсальное соединение» (серия HFBR-0500). Компоненты серии «Универсальное соединение» (Versatile Link) являются самым экономически эффективным семейством волоконно-оптических изделий компании Agilent Technologies. Это семейство состоит из дискретных передатчиков и приемников, основанных на технологии передачи сигналов на длине волны 650нм устройствами в пластиковых корпусах сзамками для объединения в линейки, ирассчитанными на 2 вида защелкивающихся коннекторов. Компоненты серии «Универсальное соединение» рассчитаны на пластиковое волокно (Plastic Optical Fiber — POF) диаметром 1 мм и 200 мкм кварцевое волокно HCS.

Такие соединения действительно недороги по следующим причинам. Первая — это низкая стоимость оконцевания POF-кабеля и волокна HCS. Вторая состоит в том, что данное соединение основано на самозащелкивающемся коннекторе, не требующем дорогого обжимного инструмента, и специально разработанного для упрощения производства и обслуживания.

Устройства семейства «Универсальное соединение» рассчитаны на передачу сигнала со скоростями от 0 до 160 Mбод и на максимальное расстояние до 110 м при использовании пластикового волокна (при скорости 40 Mбод). При скорости 160 Mбод на пластиковом волокне обеспечивается дальность передачи 50 м.

Конструкция SMA/ST (серия HFBR-0505). Приемники и передатчики данной серии рассчитаны на применение вместе с HCS-волокном 200 мкм в диаметре и коннекторами типа SMA и ST. Относительно большой диаметр волокна обуславливает довольно низкую стоимость оконцевания. Передатчики иприемники этого семейства размещены внебольших корпусах с выводами в линейке 14 и ссимплексным оптическим портом SMA или ST. Корпуса сделаны из прочного термостойкого, замедляющего горение и химически стойкого пластика. Такой корпус разработан для автоматизированной сборки и пайки волновым методом, что прекрасно подходит для больших объемов производства.

Оптоволокно HCS 200 мкм в диаметре позволяет передавать сигналы на значительно большие расстояния по сравнению с пластиковым оптическим волокном. Устройства этой серии обеспечивают максимальные расстояния передачи сигнала до 400 м и скорости до 10 Mбод (при расстоянии до 200 м).

Конструкция Miniature Link (серия HFBR-0300/0400/0600). Семейство формата Miniature Link представлено компонентами, работающими на длинах волн 650, 820 и 1300 нм. Этосемейство состоит из отдельных приемников и передатчиков со стандартными оптическими портами ST, SMA, SC, FC. Компоненты этого семейства рассчитаны на скорости передачи до 160 Mбод и на работу смногомодовыми кварцевыми волокнами 62,5/125 мкм и 50/125 мкм. Использование таких волокон в сочетании с длиной волны передатчика в диапазоне 1300 нм позволяет достичь расстояний до 5000 м (при скорости 20Mбод).

Данные по условиям применения конкретных видов модулей приведены в таблице.

Пластиковое оптоволокно и «Универсальное соединение»

Наряду с передающими и приемными модулями важным компонентом рассматриваемых соединений является оптическое волокно. Из предыдущего раздела видно, что максимальное расстояние передачи сигнала непосредственно связано с типом применяемого оптического волокна. Применение кварцевого многомодового волокна 62,5/125 мкм обеспечивает достижение больших расстояний и максимальных скоростей передачи. Этот тип волокна широко известен на российском рынке и применяется в основном в локальных компьютерных сетях. Технология оконцевания этого типа волокна требует определенных навыков, довольно дорогостоящих инструментов и затрат времени, что определяет относительно высокую стоимость оптических шнуров для соединений небольших длин, а для больших расстояний определяющим является сама длина соединения. Этого недостатка лишены соединения на основе пластикового волокна, которое может быть использовано лишь на небольших расстояниях из-за большого затухания светового сигнала даже в максимуме прозрачности. Простота технологии оконцевания связана со свойствами самого материала волокна, легкого в обработке, c большим диаметром волокна, не требующего большой точности при изготовлении оптического шнура, также с эффективной конструкцией коннектора, предлагаемого Agilent Technologies для компонентов серии «Универсальное соединение».

Световод пластикового оптического волокна, предлагаемого для использования в рассматриваемых соединениях, как уже упоминалось, имеет диаметр 1 мм и изготавливается из специального полимера. Для защиты световод покрывается полиэтиленовой оболочкой, и суммарный диаметр такого кабеля составляет 2,2 мм. Для дуплексных соединений изготавливается двойной легко разделяемый кабель c тонкой перемычкой из материала оболочки. Конструкция световода представляет собой ядро диаметром 980 мкм и внешний слой толщиной 10 мкм. Показатель преломления ядра и оптической оболочки составляют 1,492 и 1,417 соответственно. Большой диметр световода и числовая аппертура волокна подобраны в хорошем соответствии с большим эффективным диаметром и аппертурой оптических портов передатчиков, что позволяет запускать в волокно довольно мощные сигналы до 0 дБм.

Как уже упоминалось, полимерный материал волокна определяет довольно большие потери при распространении света. Минимум потерь наблюдается на длине волны 650 нм и составляет около 200 дБ/км. Компания Agilent Technologies предлагает два вида кабелей: стандартный с типичным затуханием 0,19дБ/м (артикул HFBRRxxyyy) и кабель с малыми потерями — его типичное затухание 0,16дБ/м. Для использования данного световодного кабеля в условиях высоковольтной аппаратуры немаловажной характеристикой является электрическая стойкость: ток утечки составляет 12нА на длине 30см при приложении напряжения в50 кВ. Для полного представления о свойствах оптических кабелей с полимерным волокном необходимо представить также их механические свойства. Следует отметить широкий рабочий температурный диапазон от –40°C до +85°C, а также диапазон температур, разрешенный для инсталляции, от –20°C до+70°C. Минимальный радиус изгиба составляет 35мм, а на короткое время допускается изгиб радиусом до 25мм. Допускается до1000 циклов изгиба минимального радиуса. Вес одноволоконного кабеля составляет 5,3 гр/м, что по сравнению с «медными» кабелями является еще одним неоспоримым преимуществом оптического кабеля.

Конструкция коннектора HFBR-4531 позволяет закрепить его на волокне нажатием нафиксатор и не требует дорогого обжимного инструмента. Также важно, что предлагаемая технология является бесклеевой. Специальный клей может применяться для упрочнения соединения коннектора с кабелем, если необходимо. Процедура изготовления соединительного шнура состоит из четырех стадий. Сначала отрезается кабель нужной длины и освобождается от полиэтиленовой оболочки. Затем очищенное от оболочки волокно вставляется в наконечник коннектора, а кабель закрепляется фиксатором. На следующей стадии излишек волокна обрезается и сошлифовывается грубой шкуркой с использованием оправы из набора HFBR-4593. На последней стадии производится окончательная полировка спомощью полировальной пленки с зерном 3 мкм из того же набора. Это позволяет улучшить качество оптического соединения примерно на 2 дБ. Вместе с приготовлением оптического кабеля нужной длины, фиксацией коннекторов, одной или двумя стадиями полировки торца волокна для минимизации потерь света ипри небольшой практике позволяют изготовить дуплексный оптический шнур наоснове пластикового оптического волокна менее чем за минуту. Важно также, что эта процедура оконцевания не требует специально подготовленного рабочего места, а может производиться там, где установлены приемопередающие модули. Небольшие затраты времени для изготовления шнуров инизкая стоимость коннекторов, а также приемников и передатчиков делают конструкцию «Универсальное соединение» наиболее привлекательной там, где нужно создать оптоволоконное соединение относительно небольшой длины.

Более подробную информацию о представленных компонентах оптоэлектроники можно получить на сайте www.semiconductor.agilent.com.