Оптоволоконные соединители компании Amphenol для жестких условий эксплуатации

В настоящее время оптоволоконная технология является важнейшим средством передачи информации. В связи с этим производство высококачественных оптических соединителей и кабельных сборок (в том числе взрывозащищенных) стало одним из ключевых направлений Amphenol.

Оптоволоконные соединители Amphenol применяются в устройствах, эксплуатация которых происходит в жестких режимах, например в бортовой аппаратуре и в решениях, действующих в условиях агрессивной внешней среды, при высоких климатических, механических и вибрационных нагрузках.

В статье рассмотрены преимущества оптоволокна, а также технологии соединения кабелей — cтыковая (Butt Joint) и линзовая (Expanded Beam) — и наиболее популярные серии соединителей Amphenol для жестких условий эксплуатации.

Преимущества оптоволоконных соединений

В таблице 1 приведены сравнительные характеристики традиционного коаксиального и оптоволоконного кабелей.

По всем основным характеристикам оптоволоконный кабель превосходит коаксиальный. Одним из важнейших преимуществ оптоволокна является стойкость к электромагнитным помехам (ЭМП).

В настоящее время обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) становится ключевой задачей для разработчиков радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Поэтому применение оптоволокна позволяет обеспечить ЭМС аппаратуры и особенно необходимо для передачи высокочастотных сигналов по технологии RF over fiber. К тому же оптоволоконный кабель значительно дешевле коаксиального кабеля. В качестве примера применения оптоволоконных линий передачи на рис. 1 показан элемент системы электромагнитной катапульты (EMALS) для запуска самолетов c авианосцев.

Рис. 1. Оптоволоконные решения компании Amphenol в системе EMALS

Технологии передачи сигнала в оптоволоконных кабелях

Хотя применение оптоволоконного кабеля имеет существенные преимущества, опто-волокно, в отличие от медной жилы коаксиального кабеля, значительно труднее соединить, сохранив при этом необходимые параметры передаваемого сигнала.

На данный момент существует две наиболее широко применяемые технологии передачи сигнала в оптоволоконном соединителе: стыковая (Butt Joint) и линзовая (Expanded Beam).

Стыковая технология (Butt Joint) основана на принципе физического контактирования волокон соединяемых оптоволоконных кабелей (рис. 2).

Рис. 2. Стыковое соединение

Волокно надежно фиксируется в циркониевых керамических втулках (наконечниках), фронтальная плоскость которых полируется. При этом предъявляются высокие требования по чистоте, поскольку малейшее загрязнение поверхности может значительно ухудшить качество сигнала. Наконечник, как правило, подпружиненный для обеспечения равномерной нагрузки при сочлене-нии, крепится в оптоволоконном контакте — стержне. Оптоволоконные контакты по стыковой технологии относительно недорогие и используются во многих типах соединителей. К недостаткам такого соединения следует отнести высокие требования к чистоте контактирующих поверхностей, чувствительность к вибрации и перепадам температуры. Однако разработаны конструктивные решения, позволившие свести на нет перечисленные слабые стороны и применять стыковую технологию контактов для жестких условий эксплуатации. Некоторые соединители для технологии стыкового соединения показаны на рис. 3.

Рис. 3. Соединители для стыкового соединения:
а) многоканальный соединитель TFOCA II;
б) многоканальный соединитель c высокой плотностью контактов THD

Линзовая технология (Expanded Beam) основана на бесконтактной передаче сигнала в соединителе (рис. 4).

Рис. 4. Линзовое соединение

Луч света из оптоволокна попадает на сферическую линзу, расширяется и сводится в параллельный пучок. Световой поток проходит через воздушную среду внутри сочлененных соединителей и фокусируется сферической линзой на оптоволокне второго соединителя (рис. 5).

Рис. 5. Контактные вставки со сферическими линзами

Линзовая технология позволяет минимизировать влияние внешних факторов (попадание пыли, грязи) на качество передаваемого сигнала, обеспечивает простоту в обслуживании (достаточно протереть стекло линзы и продолжить работу). В этом заключаются основные преимущества данной технологии по сравнению со стыковым соединением. Таким образом, линзовая технология является идеальным решением для эксплуатации оптоволоконного соединителя в условиях высокой загрязненности, вибрации, перепада температур. Примеры соединителей для линзового соединения представлены на рис. 6.

Рис. 6. Соединители для линзового соединения:
а) соединитель серии TACBeam;
б) соединитель серии CTOS-CTOL

Соединители серии TFOCA-II

Изначально соединители TFOCA-II (рис. 7) были разработаны компанией Amphenol для применения в командно-штабных машинах вооруженных сил США. В настоящее время соединители этой серии (в том числе и взрывозащищенные версии) также широко используются для прокладки линий оптоволоконной связи в агрессивных средах (нефтегазовая и горнодобывающая промышленность). Главной особенностью соединителей является униполярный интерфейс контактов, благодаря чему можно легко наращивать длину кабельных сборок в полевых условиях. Объединенная втулка для волокон обеспечивает лучшую устойчивость к механическим нагрузкам. Возможно исполнение корпусов соединителей с четырьмя вариантами поляризации, что исключает нежелательные состыковки. Соединители TFOCA-II могут быть отремонтированы даже в полевых условиях, за исключением замены наконечников. Сняв защитную крышку, можно произвести осмотр центрирующей муфты и керамических наконечников. Доступны следующие варианты материалов корпуса: алюминий, нержавеющая сталь, латунь. Соединители серии TFOCA-II можно сочленять даже под водой без внесения значительного ослабления сигнала, хотя такая практика и не рекомендуется производителем. Для удобства переноса и быстроты развертывания/свертывания оптических кабельных сборок TFOCA-II возможен заказ со специализированными барабанами. Спецификация на соединители TFOCA-II представлена в таблице 2.

Рис. 7. Соединитель серии TFOCA-II

Развитие соединителей TFOCA-II нашло отражение в серии THD (рис. 8).

Рис. 8. Соединитель THD

Эти соединители с циркониевыми керамическими наконечниками и центрирующими муфтами имеют высокую плотность компоновки оптических контактов с шагом 1,25 мм. Стандартные версии соединителей рассчитаны на 48, 64, 72 контакта (уже разработаны решения на 108 контактов) и доступны с множеством вариантов покрытий корпусов. Соединители серии THD предназначены для надежных военных систем связи, а также для высокоскоростных гражданских и промышленных применений. Спецификация на соединители THD представлена в таблице 3.

Соединители серии TACBeam

Соединители серии TACBeam (рис. 9) производят в защищенном исполнении с применением линзовой технологии в соответствии со стандартами MIL-PRF‑83526/20A&21A для военного и промышленного применения.

Рис. 9. Соединитель TACBeam

Это единственная двухканальная серия соединителей для одномодового волокна, которая одновременно поддерживает две длины волны (1310 и 1550 нм). Важно также отметить, что ремонт соединителя может быть осуществлен в полевых условиях (не требуется никаких специальных процедур, в частности нагревания вставок при монтаже наконечников). Тыльная часть соединителя спроектирована для широкого диапазона кабелей диаметром от 3 до 7,5 мм, что уже само по себе является конкурентоспособным преимуществом. Серия Tacbeam доступна как в одномодовом, так и в многомодовом вариантах. Поскольку линзы физически не контактируют между собой, нет и износа наконечников, что позволяет соединять и разъединять соединители тысячи раз без ухудшения оптических характеристик. Соединители данной серии могут быть сконфигурированы для 1–4 каналов оптической связи (доступны 2‑ и 4‑канальные версии). Основные области их применения: cистемы связи оперативно-тактического назначения, системы сейсмической связи в нефтегазовой отрасли, ТВ‑вещание, железнодорожный транспорт. Спецификация на соединители TACBeam представлена в таблице 4.

Соединители серии CTOS-CTOL

Оптические соединители серии CTOS-CTOL предназначены для быстрого развертывания высокоскоростных линий передачи данных в жестких условиях внешней среды (рис. 10).

Рис. 10. Соединитель CTOS-CTOL

Униполярный интерфейс позволяет наращивать кабельные сборки в последовательную цепочку без применения дополнительных переходников. Компактные соединители CTOS доступны в версиях с 1, 2, 4 каналами (наружный диаметр всего 38 мм). В свою очередь, соединители серии CTOL являются увеличенными версиями серии CTOS и позволяют вмещать до 8 каналов (наружный диаметр 52 мм). Специально разработанная лицевая часть соединителей с эргономическими поляризационными ключами предусматривает использование метода слепого подключения. Плоское антиотражающее защитное стекло, установленное на амортизаторах, позволяет легко очищать поверхность для улучшения параметров сигнала и обеспечивает дополнительную защиту. Пример применения соединителей в полевых условиях показан на рис. 11.

Рис. 11. Применение соединителей CTOS-CTOL в полевых условиях

Области применения соединителей этой серии: геофизические исследования, гражданская оборона, железнодорожный транспорт, телерадиовещание. Спецификация на соединители CTOS и CTOL представлена в таблице 5.

Преобразователи «медь-оптика» CTF-QUAD

Помимо оптических соединителей и кабельных сборок, компания Amphenol выпускает и оптические преобразователи. Один из них — CTF-QUAD, уникальный высоконадежный миниатюрный преобразователь, который позволяет без усилий перейти с квадракс-контактов на оптоволокно в ячейках 8‑го размера врубных прямоугольных соединителей стандарта ARINC 404, ARINC 600, а также цилиндрических соединителей стандарта D38999 3‑й серии, без значительных изменений в дизайне (рис. 12).

Рис. 12. Преобразователь «медь-оптика» CTF-QUAD

Преобразователь CTF-QUAD имеет контакты под монтаж на печатную плату, при этом оптическая часть оснащена интерфейсом ARINC 801 или LC (1,25‑мм наконечники). Контакты-преобразователи передают данные со скоростью до 10 Гбит/с и обладают устойчивостью к вибрационным и ударным нагрузкам. Замена стандартных квадракс-контактов 8‑го размера на преобразователи компании Amphenol обеспечивает более высокую скорость передачи данных на длинных дистанциях, исключает проблемы с ЭМС и повышает безопасность защиты информации. Спецификация на преобразователь CTF-QUAD представлена в таблице 6.

Заключение

При выборе оптоволоконного соединителя заказчику необходимо ответить на следующие вопросы:

1. Какое исполнение необходимо: коммерческое или по MIL-стандарту?
2. Нужна ли APC (угловая полировка наконечников) для уменьшения вносимых потерь?
3. Нужен ли соединитель с гибридной вставкой (электрические и оптические контакты в одном корпусе)?
4. Какой материал корпуса и какое покрытие оптимальны в зависимости от условий эксплуатации?
5. Насколько важны массо-габаритные показатели?
6. Есть ли требования по стандартизации/взаимозаменяемости?
7. Требуется ли применение раздельных кабельных сборок, оснащенных разными поляризационными ключами для исключения нежелательных состыковок?

Оптоволоконный соединитель для жестких условий эксплуатации должен быть выбран в соответствии с четко определенными требованиями. При небольших партиях для заказа рекомендуются готовые кабельные сборки. При этом не понадобится приобретать отдельный комплект инструментов, а также иметь в штате квалифицированный персонал для выполнения всех операций по заделке оптоволокна. Готовые кабельные сборки поступают уже с заданными и сертифицированными параметрами сигнала.