CC BY
56Компоненты и технологии, № 9'2003
Недорогие компоненты 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 Мбод 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.
Игорь Швечиков
Основные приложения
Применение оптического волокна для передачи данных имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционным 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.
122
Например, на производстве 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 на линии 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 и т. п.
----www.finestreet.ru------------------------
Компоненты и технологии, № 9'2003
• Второй вид задачи, где может успешно применяться волоконная оптика, — это изоляция от высоких 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 и токов 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 в современных СБ- и БУБ-про-игрывателях, усилителях, телевизорах, домашних кинотеарах. Такие соединения делают возможным воспроизведение видео и звуковой информации с высочайшим качеством и полным отсутствием шумов и искажений.
Таблица. Приемные и передающие модули
Расстояние (при 0-70 °C)
POF 1 мм HCS 62,5/125 мм
РС-40 кбод HFBR-1523 HFBR-1533 HFBR-2523 HFBR-2533 110 м Versatile Link
РС-1 Мбод HFBR-1522 HFBR-1532 HFBR-2522 HFBR-2532 45 м Versatile Link
РС-2 Мбод HFBR-1505C HFBR-2505C 50 м SMA
РС-4 Мбод HFBR-1604 HFBR-2602 40 м SMA
РС-5 Мбод HFBR-1521 HFBR-1531 HFBR-2521 HFBR-2531 20 м Versatile Link
РС-10 Мбод HFBR-1505A HFBR-1515B HFBR-1528 HFBR-2505A HFBR-2515B HFBR-2528 40 м 200 м SMA ST Versatile Link
РС-16 Мбод HFBR-1506AM HFBR-2506AM 40 м 200 м SMA
РС-32 Мбод HFBR-1527 HFBR-1537 HFBR-2526 HFBR-2536 40 м 1000 м Versatile Link
32 Мбод HFBR-1527 HFBR-1537 HFBR-2526 HFBR-2536 75 м 400 м Versatile Link
55 Мбод HFBR-1527 HFBR-1537 HFBR-2526 HFBR-2536 60 м 240 м Versatile Link
125 Мбод HFBR-1527 HFBR-1537 HFBR-2526 HFBR-2536 30 м 100 м Versatile Link
160 Мбод iN.A-0.375) HFBR-1527 HFBR-1537 HFBR-2526 HFBR-2536 50 м 50 м Versatile Link
РС-5 Мбод HFBR-14X4 HFBR-24X2 2000 м ST, SMA, FC
20 Мбод HFBR-14X4 HFBR-24X6 2700 м ST, SC, SMA
20Мбод HFBR-1312T HFBR-2316T 5000 м ST
32 Мбод HFBR-14X4 HFBR-24X6 2200 м ST, SC, SMA
32 Мбод HFBR-1312T HFBR-2316T 3200 м ST
55 Мбод HFBR-14X4 HFBR-24X6 1400 м ST, SC, SMA
55 Мбод HFBR-1312T HFBR-2316T 3200 м ST
125 Мбод HFBR-14X4 HFBR-24X6 700 м ST, SC, SMA
125 Мбод HFBR-1312T HFBR-2316T 2800 м ST
155 Мбод HFBR-14X4 HFBR-24X6 600 м ST, SC, SMA
155 Мбод HFBR-1312T HFBR-2316T 2700 м ST
160 Мбод HFBR-14X4 HFBR-24X6 500 м ST, SC, SMA
160 Мбод HFBR-1312T HFBR-2316T 2000 м ST
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 650 нм устройствами в пластиковых корпусах с замка-------------------www.finestreet.ru-
ми для объединения в линейки, и рассчитанными 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 самозащелкиваю-щемся 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 Мбод и на максимальное расстояние до 110 м при использовании пластикового волокна (при скорости 40 Мбод). При скорости 160 Мбод 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 и приемники этого семейства размещены в неболь-
ших корпусах с выводами в линейке 1x4 и с симплексным 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 Мбод (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. Это семейство 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 с многомодовыми 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 20 Mбод).
Данные по условиям применения конкретных видов модулей приведены в таблице.
Компоненты и технологии, № 9'2003
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 0,19 дБ/м (артикул HFBR-
124 ----------------------------------
Иххууу) и кабель с малыми потерями — его типичное затухание 0,16 дБ/м. Для использования данного световодного кабеля в условиях высоковольтной аппаратуры немаловажной характеристикой является электрическая стойкость: ток утечки составляет 12 нА на длине 30 см при приложении напряжения в 50 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 °С до +85 °С, а также диапазон температур, разрешенный для инсталляции, — от -20 °С до +70 °С. Минимальный радиус изгиба составляет 35 мм, а на короткое время допускается изгиб радиусом до 25 мм. Допускается до 1000 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 ИРВК-4531 позволяет закрепить его на волокне нажатием на фиксатор и не требует дорогого обжимного инструмента. Также важно, что предлагаемая технология является бес-клеевой. 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 ИРВИ-4593. На последней стадии производится окончательная полировка с помощью 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 и при небольшой практике позволяют изготовить дуплексный оптический шнур на основе пластикового оптического волокна менее чем за минуту. Важно также, что эта процедура оконцева-ния не требует специально подготовленного рабочего места, а может производиться там, где установлены приемопередающие модули. Небольшие затраты времени для изготовления шнуров и низкая 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 можно получить на сайте www.semiconductor.agilent.com.
- www.finestreet.
е
ru
