Работа над стыками

Технологии сращивания волокон и монтажа разъемов являются одним из определяющих факторов развития рынка оптических систем.

За четверть века своего существования оптические волокна радикально изменили телекоммуникации. Сети связи общего пользования, особенно их магистральная часть, попросту немыслимы без оптических решений. Оптические кабели являются стандартом для реализации магистралей между зданиями и внутри зданий в решениях масштаба предприятия. В последнее время наметились серьезные позитивные сдвиги в секторах зоновых кабельных решений и решений с оптикой до рабочего места.

Существует постоянная потребность в реализации все большего количества соединений сегментов оптических кабелей и их подключении к коммутационному оборудованию. Причем само соединение оптических световодов (как разъемное, так и неразъемное) должно обеспечивать минимальное затухание сигнала, быть надежным, стойким к внешним воздействиям (ударам, вибрации, перепадам температуры) и при этом недорогим и легко выполнимым. Что представляют собой современные технологии оконечивания (монтажа разъемов на концах инсталляционного кабеля) и то, насколько результаты применения каждой из технологий соответствуют перечисленным требованиям, показывает их развитие, а также те коммутационные задачи, которые приходилось решать на каждом этапе этого развития.

Современные сварочные аппараты оснащаются средствами автоматической юстировки волокон, а также удобными ЖК-дисплеями и набором запрограммированных режимов сварки

Единство стыков

Исторически сложилось так, что первой была сварка, причем довольно длительное время существовала только сварка. Почему так? Дело в том, что для выполнения инсталляционных задач при создании линий связи возникла потребность в сращивании волокон для реализации длинных пролетов на оптических кабелях. Надо учитывать, что на барабан наматывается два-три километра кабеля (длина выбирается так, чтобы исключить повреждения волокон при укладке кабеля).

Если говорить о достоинствах сварного соединения, то самое главное из них — это минимальные потери, вносимые стыком (по сравнению со всеми остальными технологиями соединения волокон), ведь при сварном соединении практически исключаются воздушные зазоры, дефекты обработки торца волокна и другие изъяны, сказывающиеся на качестве соединения. В принципе, при идеально выполненной сварке стык можно рассматривать как единое целое. Степень идеальности сварного соединения определяется возможностями сварочного аппарата.

Достаточно вспомнить первые модели СОВА (устройства для сварки оптических волокон автоматические) еще советского производства. Вероятно, такими же были в те времена и зарубежные аналоги.

Результаты работы этих аппаратов полностью зависели от квалификации монтажника, в частности, при совмещении волокон. Чтобы контролировать их перемещение, приходилось предельно напрягать зрение, глядя в линзу с большим увеличением. Волокна приводились в движение поворотом микрометрических винтов.

Заметно сказывалось и влияние "фазы луны", то есть совокупности неблагоприятных факторов, оказывающих влияние на выполнение конкретного сварного соединения. Речь идет о специфических условиях на месте проведения работ — как постоянно действующих, так и носящих случайный характер. К их числу следует отнести вибрацию, дуновения ветра или принудительное перемещение воздушных масс, наличие пыли и многое другое.

Среди современных сварочных аппаратов в первую очередь стоит отметить продукцию компаний Fujikura и Furukawa, а также изделия Sumitomo, причем все они предлагают устройства, примерно равные по классу, характеристикам и стоимости. В нынешних моделях предусматривается достижение наилучших характеристик сварного стыка, для чего разрабатывается большое количество программ сварки (отличаются физико-химические свойства разных волокон, а тем более волокон разных производителей, и такое отличие должно учитываться во избежание варьирования качества сварки).

Помимо наличия отработанных программ сварки, записанных в самом сварочном аппарате, современные устройства оснащаются механизмом автоматической юстировки волокон, перемещения которых отображаются на большом дисплее. Это означает, что для осуществления сращивания волокна методом сварки с использованием современного оборудования не требуется высокая квалификация монтажного персонала.

Место сварного стыка обычно защищается посредством термоусаживаемых гильз. Печь, в которой производится нагрев гильзы, как правило, встраивается в сварочный аппарат: если раньше это было отдельное устройство, то в современных аппаратах оно интегрируется в корпусе устройства.

Что касается самой сварки как технологии соединения, то это бесспорно наилучший способ сращивания оптических волокон. В результате получается самое надежное соединение, дающее минимум затухания. Единственный его недостаток, и к тому же весьма существенный, — высокая стоимость оборудования. Минимальная цена комплекта современного полнофункционального сварочного аппарата составляет примерно $15 тыс. Отличие в ценах разных моделей сварочных аппаратов определяется в первую очередь особенностями прилагаемого к аппарату программного обеспечения, в частности числом и степенью отработки режимов сварки.

Начало оконечивания

После появления метода сращивания кабеля и стандартного инструментария для проведения работ начали применять технологии для оконечивания кабелей в полевых условиях, что позволяло без проблем осуществлять перекоммутации для разных соединений. Такое оконечивание стало возможным за счет использования полушнуров, которые специалисты именуют не иначе как "пигтейлы" (от английского слова pigtail — "косичка", которое буквально можно перевести как "свиной хвост"). Это отрезок оптического световода, на одном конце которого в заводских условиях монтируется коммутационный разъем, а другой остается свободным. К нему то и приваривается волокно инсталляционного кабеля.

Особенностями заделки в производственных условиях является использование прецизионных скалывателей и шлифовальных машин с целью получения идеального торца в месте скола (который проводится для устранения избытка волокна), а также наилучших показателей по потерям на отражение. Идеальное качество торца, собственно говоря, определяет то, что полушнуры широко применяются и в настоящее время.

Новые задачи и другая экономика

Начало применения оптических кабельных систем для построения сетей передачи данных масштаба предприятия дало новый импульс развитию волоконно-оптических технологий. В какой-то мере это связано с тем, что проектам на уровне предприятия присущи совершенно другие экономические масштабы, чем действующие в сетях дальней связи. Так, затраты на приобретение оборудования для сварки выглядели не столь большими на фоне общей стоимости магистральных линий дальней связи. В то же время магистральные линии, соединяющие сегменты локальных сетей (даже на очень крупном предприятии), имеют большую, но четко ограниченную протяженность.

Механический соединитель — альтернатива сварке для технологий сращивания волокон

Таким образом, сварные соединения как решение проблемы оконечивания оптических кабелей не применяются для большинства решений масштаба предприятия, так как оказываются слишком дорогими. Поэтому когда актуальной стала задача более-менее массового освоения оптического волокна, активизировались поиски альтернативы, которая в первую очередь предполагала бы применение недорогого инструментария и была легкой для освоения персоналом не самой высокой квалификации.

Механическая альтернатива

Поиски велись в двух направлениях. Об одном из них будет рассказано далее, а вот другое предполагает неизменным принцип сращивания волокон (в том числе инсталляционного кабеля и полушнура). Воплощением этого принципа стали механические соединители.

Механический соединитель — сплайс (от английского splice — "сращивание") — представляет собой корпус, внутри которого реализуется капиллярный канал диаметром немного больше 250 мкм. Этот канал заполняется иммерсионным гелем (специальным веществом, коэффициент преломления которого имеет то же значение, что и у стекла, из которого сделано светопроводящее тело оптического волокна). Назначение геля — компенсировать наличие небольшого зазора между торцами волокон.

Вторым по значимости конструктивным элементом соединителя являются механические зажимы, которые обеспечивают фиксацию волокна в корпусе и исключают его продольную миграцию. Сколотые концы сращиваемых волокон инсталляционного кабеля и полушнура размещаются внутри капилляра стык в стык. После обжима специальным инструментом механические зажимы фиксируют волокна, и соединение можно считать готовым.

На рынке есть довольно много производителей механических соединителей. Принцип работы, который все они предлагают, один и тот же. Различия составляют особенности конструкции механических фиксаторов, и, что самое главное (но крайне редко принимаемое во внимание потребителями), состав иммерсионного геля.

Только в США данный вид продукции предлагают свыше десятка компаний. Однако большинство подобных предложений в силу тех или иных причин не известны большинству потребителей. Наиболее широким признанием пользуется продукция 3M и Tyco Electronics.

Соединители Fiberlock от 3M универсальны. Одни и те же модели могут использоваться для многомодовых и одномодовых волокон.

Что касается соединителей Corelink производства Tyco Electronics, то они в процессе разработки были в большей степени ориентированы на сети масштаба предприятия. Tyco Electronics предлагает две разновидности механических соединителей. Одна из них предназначена для сращивания одномодовых волокон, другая — для многомодовых.

Разъемы на места

С учетом особенностей развития технологий соединения оптических волокон, можно констатировать, что в данном случае более принципиальной была задача удешевления линейных работ. Решение проблемы оконечивания оказалось второстепенным.

Вместе с тем использование механических соединителей — хоть и более универсальная технология (поскольку она позволяет сращивать сегменты кабеля и в то же время может использоваться для оконечивания при помощи полушнуров), но она не дает очевидного преимущества в задачах масштаба предприятия. Дело в том, что необходимость в сращивании кабелей в таких задачах возникает не так часто, а оконечивание с помощью полушнуров экономически не вполне оправдано, ведь к довольно высокой стоимости полушнура добавляется стоимость соединителя. Это значит, что оконечивание кабеля и в случае сварки, и при использовании механических соединителей получается дороже непосредственного монтажа разъемов на волокно.

Это и есть второе направление в развитии технологий соединения оптических волокон. Технологии оконечивания посредством разъемов (технологии прямого терминирования) позволяют отказаться от полушнуров и, соответственно, от необходимости сращивания, то есть формирования дополнительного стыка волокон, который, так сказать, вносит свою лепту в общий "бюджет" по затуханию.

Стоит отметить, что второе направление не требовало разработки чего-то радикально нового. Нужно было модифицировать технологию монтажа разъемов, используемую в производственных условиях для изготовления полушнуров, так, чтобы она стала доступной для применения в полевых условиях. С возникновением ряда таких модифицированных технологий появляются и специализированные наборы инструментов, приспособлений и материалов. Общими для всех технологий являются подготовка волокна и установка его в разъем таким образом, чтобы был достаточно длинный свободный конец, который скалывается специальным инструментом, а торец волокна в месте скола шлифуется. В общем случае торец делается плоским и является перпендикулярным оси волокна. На нем не должно быть крупных царапин и трещин, появление которых свидетельствует о несоблюдении рекомендаций по осуществлению шлифовки или о загрязнении.

Качество обработки торцов является критичным, поскольку именно совмещение торцов составляет основу разъемного соединения. Малейшие зазоры, нарушение соосности стыкуемых волокон или их угловое отклонение резко увеличивают вносимые потери.

Волокно на клею

Первой технологией монтажа разъемов была клеевая технология "эпокси" (для удобства чтения позаимствуем у специалистов используемую ими кальку английского названия epoxy). Эта технология широко применяется и сейчас.

Ее суть заключается в том, что корпус разъема заполняется клеем, охватывающим волокно, на которое надевается разъем. В настоящее время термин "эпокси" является не вполне корректным, поскольку теперь используются не только клеи на основе эпоксидной смолы. Сейчас этот термин больше отражает общий принцип работы с клеевыми составами.

Процедура оконечивания состоит в следующем: при помощи шприца корпус наполняется клеевым составом, находящимся в жидкой фазе, волокно зачищается, вводится в разъем, в котором после затвердения клея оно фиксируется как внутри корпуса разъема, так и внутри наконечника.

Скол избытка волокна и последующая шлифовка торца являются обязательными действиями, определяющими качество полученного соединения

В клей добавляется отвердитель. Ряд производителей могут поставлять клей расфасованным в разделенные на две секции пластиковые пакеты. В одной из секций содержится клеевой состав, в другой — отвердитель. Непосредственно перед началом монтажа разъема перемычка между секциями устраняется, и их содержимое перемешивается.

Затем монтажник должен довольно быстро набрать шприц, заполнить клеем корпус разъема и ввести туда же зачищенное волокно таким образом, чтобы его свободный конец несколько выходил за торец наконечника разъема.

Чтобы ускорить окончательное отвердение фиксирующего состава, прибегают к подогреву установленного разъема, для чего используются специальные печи. Некоторые производители, например Brand Rex, предлагают модернизированный вариант технологии "эпокси", не требующий подогрева (английское название — cold cure, что означает буквально "холодное отвердение"). Особенностью этого варианта является наличие у клеевого состава анаэробных свойств, вернее, способности к быстрому отвердению на открытом воздухе.

После отвердения состава производится скол имеющегося избытка волокна и последующая шлифовка торца. Качество скола имеет значение, поскольку в комплект инструмента, как правило, не входит дорогой прецизионный скалыватель. Обычно для осуществления данной операции используется рубиновый или алмазный карандаш, которым делается надрез на волокне. После этого монтажнику необходимо отломить избыток волокна. Если скол происходит под достаточно большим углом или линия отлома глубоко уходит в наконечник, то это — брак, исправить который практически невозможно. Если скол в теле разъема оказывается довольно неглубоким, многие пытаются отшлифовать наконечник на крупном абразиве. Однако такая шлифовка может привести к образованию значительного зазора в месте соприкосновения торцов двух разъемов адаптера. В случае ошибки при монтаже, особенно при неверном осуществлении скола и шлифовки, разъем нужно срезать, а на его место установить другой.

Основным недостатком технологии "эпокси" является неудобство работы. Пока клей не затвердел, нужно успеть заполнить корпус и вставить волокна. К тому же значительная часть клеевого состава не расходуется, то есть приходится мириться с высоким процентом отходов. Существует и ряд негативных технологических моментов, включая неравномерность отвердения клеевого состава. Это, в частности, может привести к серьезному повреждению и даже к обрыву волокна.

Современных приверженцев технологии "эпокси" можно разделить на две категории. Первая — это те, кто давно работает с данной технологией, хорошо ее освоил и согласен мириться с вышеуказанными недостатками. Основное достоинство "эпокси" с точки зрения второй категории — невысокая стоимость разъема. Однако чтобы правильно определить экономические показатели для данной технологии, следует принимать во внимание стоимость материалов (клеевого состава и отвердителя) и то, что они расходуются крайне неэффективно, поскольку значительная часть выбрасывается. К тому же достаточно велик процент брака.

Сильные и слабые стороны "эпокси" максимально учтены, в частности, в запатентованной компанией ЗМ технологии Hot Melt (технология горячего размягчения), которая не только с успехом применяется, но и имеет широкое распространение. Особенность технологии заключается в том, что корпус разъема на стадии производства заполняется фиксирующим компаундом. Этот компаунд при температуре до 80°С находится в твердой фазе, причем не как кристаллическая структура, а как аморфная вязкая масса, находящаяся на грани твердости. При нагреве свыше 80°С компаунд размягчается настолько, что становится проницаемым для прохождения волокна.

В случае неудачных операций скола и шлифовки можно повторно заделать тот же самый разъем. Для этого достаточно нагреть его, вынуть волокно, зачистить и снова установить разъем на волокно. Правда, число повторных попыток ограничено, поскольку часть компаунда выводится с волокном; к тому же происходит переход в газовую фазу, хотя и не в столь больших количествах. Как показывает практика, перезаделку одного и того же разъема можно осуществлять от пяти до семи раз.

Обжимные технологии

Существует вариант технологий монтажа разъемов, который не требует применения особых фиксирующих материалов и нагрева. Это механическое оконечивание волокна, то есть обжим, хорошо знакомый по применению в электрических системах. Как правило, торговые наименования разъемов для механического монтажа содержат английское слово сrimp, которое и переводится как "обжим".

Основу механической технологии составляет охват оптического волокна специальными конструктивными элементами, находящимися в корпусе разъема. Корпус сдавливается при помощи специальных клещей. Волокно фиксируется раз и навсегда, поскольку конструкция прижимных элементов должна исключать возможность его продольной миграции.

Обжимная технология практически не отличается от других технологий в плане подготовки и последующей доводки волокна, то есть осуществляются те же операции разделки кабеля и зачистки волокна, а также скалывание и шлифовка (разве что нет фиксирующего материала, избыток которого пришлось бы убирать при шлифовке).

Для двух последних операций некоторые производители предлагают модифицированные скалыватели, в которых имеется специальная оправка. В ней наконечник разъема устанавливается в гильзу, так что положение волокна на момент скола является жестко фиксированным. Сам скол осуществляется путем подачи режущего инструмента. По качественным показателям такое приспособление занимает промежуточное место между рубиновыми или алмазными карандашами и прецизионными скалывателями, применяемыми в условиях промышленного производства.

Инструментарий для оконечивания содержит все необходимые приспособления и материалы для монтажа разъема в сответствии с той или иной технологией

Последние несколько лет все шире используется усовершенствованный вариант обжимной технологии. Упрощение процедуры оконечивания достигается благодаря менее жестким требованиям к осуществлению скола и шлифовки волокна в полевых условиях. Чтобы эти операции были не столь критичными, в наконечник разъема на стадии производства устанавливается отрезок оптического волокна. Шлифовка торца наконечника также выполняется в заводских условиях. К достоинствам подобного подхода следует отнести скорость монтажа и довольно невысокие требования к квалификации персонала. Недостатком является высокая стоимость разъема с презаделанными волокнами.

Волокно инсталляционного кабеля непосредственно не участвует в разъемном соединении, и, следовательно, скол и шлифовка этого волокна в полевых условиях являются не столь критичными, как для любой другой технологии.

Торец волокна инсталляционного кабеля в корпусе разъема приводится в соприкосновение с предустановленным волокном. Это происходит в гильзе, заполненной иммерсионным гелем. Затем хвостовик разъема обжимается, как в обычной механической технологии.

Вообще установленный разъем при модернизированном обжиме можно представить как полушнур с очень коротким свободным концом волокна, сращивание которого с волокном инсталляционного кабеля происходит в механическом соединителе, ведь фактически получаются два стыка волокон. Поэтому производители вынуждены более жестко контролировать потери для разъемов с учетом конкретного варианта технологии монтажа. Вместе с тем только такая технология оказалась пригодной для оконечивания в полевых условиях SFF-разъемов, таких как LC и MT-RJ.

Что касается производителей, поддерживающих тот или иной вариант механической установки, то их довольно много, но только единицы хорошо известны на рынке. В качестве примера успешного освоения рынка оптических разъемов с механическим монтажем и предустановленными волокнами можно привести линейку UniCam Connector от Corning, включающую в себя широкую номенклатуру одномодовых и многомодовых разъемов. Еще один пример — разработки компании Tyco Electronics, которая под торговой маркой AMP NETCONNECT LightCrimp предлагает линейку разъемов для обычного обжима, а под маркой LightCrimp Plus — разъемы с предустановленными волокнами. По заявлениям представителей фирмы, технология LightCrimp Plus позволяет сократить время монтажа одного разъема до одной-трех минут. В конце 2003 года компания выпустила на рынок одномодовые разъемы LightCrimp Plus, которые оказались весьма успешными, поскольку в решениях масштаба предприятия все более широко применяются одномодовые волокна.

В принципе, совершенствование технологий обжима отображает общую тенденцию к упрощению технологий оконечивания оптических волокон, а также сокращению затрат труда и времени, необходимых для монтажа разъемов. Что касается сложившейся ситуации с применением технологий в целом, то ее может изменить новое поколение стандартов СКС. Работы над новыми редакциями стандартов начинаются буквально в эти дни. В случае, если в этих редакциях будут содержаться какие-либо предпочтения или рекомендации по применению определенных разъемов, спрос на данный тип разъемов существенно возрастет. Следовательно, более широко будет использоваться технология, наиболее удобная для их оконечивания. Кроме того, американская ассоциация специалистов по волоконной оптике предлагает свести к минимуму численность технологий монтажа, применение которых допускалось бы стандартами. Так что через какое-то время существующие предпочтения в практике сращивания волокон и монтажа разъемов могут существенно измениться.

Альтернатива дальней связи

Интересно рассмотреть причины, которые стимулировали применение механических соединителей оптических волокон в сетях дальней связи как полноценной альтернативы для сварки, к которой можно было бы прибегать повсеместно. Осознание потребности в подобной альтернативе возникло на американском рынке в момент дробления национального оператора связи в США. Тогда из состава AT&T выделились несколько региональных компанийоператоров. Всем им пришлось самостоятельно развивать магистральные сети и сети доступа, что потребовало прокладки большого количества волоконно-оптического кабеля. Для этих компаний весьма кстати оказались технологии механического соединителя, который обеспечивал качество и надежность соединения, сопоставимые со сварным. К тому же до выхода на рынок механических соединителей компании, для которых закупка сварочных аппаратов была недоступной, были весьма ограничены в возможностях развития своих сетей. Но наряду с такими компаниями предпочтение недорогой альтернативе стали оказывать и другие фирмы, для которых она стала гораздо более привлекательной.

Рассмотрим только один из характерных примеров, к тому же относящийся к украинскому рынку. Для проведения работ на сети связи Укрзализныци требуется обеспечивать необходимым инструментарием большое число рабочих: порой одновременную работу ведут несколько десятков монтажных бригад, а протяженность сетей вдоль железнодорожного полотна составляет десятки тысяч километров.

Понятно, что обеспечить каждую бригаду сварочным аппаратом весьма накладно, а использование двух-трех аппаратов приведет к вынужденным простоям на участках, где в данный момент не производится сварка, и затягиванию сроков реализации проекта. Механические соединители предлагают реальный выход для данной ситуации. Кроме того, затраты времени на монтаж одного соединителя, по данным NTT, на 53% ниже по сравнению с проведением одной операции сварки.