Optoelektronika

12

3. Złącza światłowodowe

3.1. Rodzaje złącz

W liniach telekomunikacyjnych kable składają się z odcinków o długości typowej 1-2km.

Z kolei w sieciach lokalnych mamy dużą liczbę rozgałęzień i połączeń. Pojawia się, zatem
problem łączenia światłowodów jako czynnik wyznaczający parametry transmisyjne goto-
wych sieci. Sprzęganie światłowodów realizowane jest w postaci połączeń stałych i rozłą-
czalnych. Połączenia stałe ze względu na małe straty i wysoką odporność mechaniczną
używane są w łączeniu linii dalekosiężnych. Tłumienie złącz stałych zawiera się w granicach
0.01-0.1dB i polega na sklejeniu lub zespawaniu ze sobą włókien (np. w łuku elektrycznym)
a następnie zabezpieczeniu miejsca połączenia. Oprócz niskiej tłumienności takiego po-
prawnie wykonanego złącza jego zaletą jest również odporność na zmiany czynników ze-
wnętrznych. W przypadku sieci lokalnych wygodne w stosowaniu są połączenia rozłączalne.
Do najbardziej rozpowszechnionych z nich zaliczają się trzy typy: ST(bagnetowe), FC (wkrę-
cane rys. 3.1) i SC (wsuwane).

Rys. 3.1. Przekrój złącza FC

Wszystkie z nich bazują na tulejach, wykonanych z ceramiki (alundowej lub cyrkoniowej), lub
stalowych. Tuleje są bardzo precyzyjnie wykonane, tak by umieszczony w nich światłowód
jednomodowy był ustawiony centralnie z dokładnością nie gorszą niż 1-2 mikrometra! Umoż-
liwiają one szybkie łączenie ze sobą światłowodów, a także sprzęgania ze światłowodami
ź

ródeł światła, bądź detektorów. Tłumienie tego typu łącz wynosi od 0.3 do 1.5 dB. Współ-

czynnik tłumienia wyraża się wzorem:

[ ]

dB

P

P

S

wy

we

log

10

=

.

(3.1)

Przy czym

we

P

− oznacza moc wejściową wiązki, natomiast

wy

P

− moc wyjściową. Ich wadą

jest istnienie odbić wstecznych na granicy szkło-powietrze i powietrze-szkło. Na każdym ta-
kim przejściu ok. 4% energii wejściowej ulega odbiciu wstecznemu, które propagując się w
ś

wiatłowodzie może dodatkowo zaburzać sygnał właściwy. Mierząc w decybelach stosunek

mocy docierającej do złącza światłowodu do mocy ulegającej wstecznemu odbiciu uzyskamy
w takim przypadku wartość ok. 10 dB. Istnieją jednak lepsze sposoby łączenia światłowo-
dów, polegające na fizycznym kontakcie (ang. PC: Physical Contact) końcówek światłowo-
dów, wśród których w zależności od sposobu obróbki końcówki rozróżnia się odmiany Super
PC ( 40dB), Ultra PC (50dB) i Angled PC (60dB).

3.2. Parametry określające sprawność połączenia

Jeśli przyjmiemy, że rozpatrujemy połączenie dwóch światłowodów

1

S

i

2

S

, a wiązka

propaguje się ze światłowodu

1

S

do

2

S

to sprawnością połączenia nazwiemy stosunek mocy

wchodzącej do światłowodu

2

S

do mocy wychodzącej ze światłowodu

1

S

:

wy

we

P

P

1

2

/

=

η

.

(3.2)

Optoelektronika

13

3.2.1. Przesunięcie osi światłowodów jednomodowych

Zakładając, że osie światłowodów są względem siebie równolegle przesunięte sprawność
połączenia wyniesie

1

:

)

2

exp(

)

(

4

2

2

2

1

2

2

2

2

2

1

2

1

w

w

d

w

w

w

w

+

−

+

=

η

,

(3.3)

gdzie przesunięcie osi wyznacza

2

0

2

0

y

x

d

+

=

,

a średnice pól modowych w odpowiednich światłowodach wynoszą:

2

1

, w

w

.

Z analizy zależności (3.3) wynika, że w celu uzyskania strat niższych niż 0.2 dB średnice

pól modalnych mogą być różne o nie więcej niż 20% i przesunięcie

d

również nie może

przekraczać 20% średnicy pola modalnego (przy założeniu

2

1

w

w

=

). Konsekwencją tego

jest stosowanie do łączenia takich samych światłowodów w przypadku światłowodów
jednomodowych. Światłowody wielomodowe nie stawiają już tak krytycznych wymagań.

3.2.2. Różnica średnic rdzeni światłowodów wielomodowych

Zakładamy, że osie światłowodów pokrywają się, średnice ich rdzeni wynoszą

1

a

i

2

a

,

apertury numeryczne są takie same, a rozkład współczynników załamania skokowy i taki
sam w obydwu przypadkach.
Możliwe są dwie sytuacje:

1.

2

1

a

a

>

, wówczas straty są proporcjonalne do stosunku pól powierzchni obydwu

rdzeni i wynoszą

2

:

)

log(

20

2

1

a

a

L

=

;

(3.4)

2.

2

1

a

a

<

, wtedy cała energia jest akceptowana przez światłowód

2

S

.

3.2.3. Różnica apertur numerycznych światłowodów wielomodowych

Dla dwóch takich samych światłowodów o aperturach numerycznych

1

NA

i

2

NA

, jeśli

2

1

NA

NA

<

wówczas cała wiązka wychodząca zostanie zaakceptowana przez światłowód

2

S

(patrz rys. 3.2).

Rys. 3.2. Światłowody o różnej aperturze numerycznej

W przeciwnym przypadku sprawność będzie zależała od kwadratów kątów akceptacji:

(

)

2

1

/

log

20

NA

NA

L

=

.

(3.5)

1

J. Siuzdak Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej -WKiŁ, W-wa 1997, wyd I, str. 103

2

Strona: 13

J. Siuzdak Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej -WKiŁ, W-wa 1997, wyd I, str. 104

Optoelektronika

14

3.2.4. Przesunięcie poprzeczne światłowodów wielomodowych

Jeśli osie dwóch takich samych światłowodów o średnicy rdzenia

a

2

rozsuniemy o odle-

głość

d

(rys. 3.3), wówczas sprzężenie będzie zachodziło tylko w obszarze wspólnym oby-

dwu rdzeni, stąd wiadomo, że d nie powinno być większe niż 0,5a. Sprawność można wów-
czas wyznaczyć z przybliżonego równania:

a

d

π

η

2

1

−

=

.

(3.6)

Rys. 3.3. Przesunięcie poprzeczne osi światłowodów

3.3. Ćwiczenie

W ramach ćwiczenia należy dokonać pomiaru tłumienności złącza światłowodowego han-
dlowego i dwóch rodzajów "połączeń" zrealizowanych samodzielnie: pierwsze polegać bę-
dzie na zbliżeniu dwóch końcówek światłowodów i wyjustowaniu przy pomocy układów regu-
lacyjnych. Drugie połączenie wiązać się będzie z przygotowaniem prostego uchwytu pomoc-
niczego (patrz powiększony detal na rys. 3.4).

3.3.1. Lista potrzebnych elementów

L.P. Opis

il.szt.

1

Płyta podstawy

1

2

Pręt mocujący

5

3

Kolumna zwykła

4

4

Pochylny uchwyt elementów płaskich 2

5

Uchwyt małych elementów okrągłych 2

6

Moduł lasera

1

7

Moduł kolimatora

1

8

Moduł detektora

1

9

Uchwyt światłowodu

4

11A Światłowód wielomodowy 2m

1

11B Światłowód wielomodowy 2m

1

12

Kolumna z mikroprzesuwem

1

13

Pozycjoner XZ

3