Rambler's Top100
  
 
Статьи
Андрей СЕМЕНОВ  27 января 2020

Как улучшить оптические соединители?

Современные разъемные волоконно-оптические соединители при соблюдении правил их эксплуатации обеспечивают затухание столь малое, что его дальнейшее снижение сопряжено с большими техническими сложностями, а выигрыш практически не сказывается на характеристиках линии связи. 

Так, швейцарская компания Diamond FO еще в середине 2000-х годов полностью отработала технологию активной юстировки, позволяющую даже для одномодовых изделий гарантировать вносимые потери на уровне 0,05 дБ, но развития эта технология не получила.

В итоге усилия по совершенствованию соединителей, как многоканальных, так и дуплексных, сосредоточились на том, чтобы сделать их более удобными в использовании для персонала, непосредственно работающего с волоконно-оптической техникой. 

Внедрение дуплексных конструкций в 400-гигабитные тракты

Одна из проблем магистральных сетей связи – так называемый скоростной предел электроники: быстродействие схем обработки данных заведомо ниже требуемой скорости передачи. Применение блочных и многоуровневых кодов для уменьшения тактовой частоты лишь отчасти снимает остроту проблемы. Эффективным же является переход на параллельную передачу, т.е. разбиение сообщения на несколько частей, каждая из которых передается в своем субканале с меньшей скоростью, а затем восстановление исходного сообщения на приеме.

Оптическая подсистема ЦОДов, в отличие от сетей связи общего пользования, из соображений минимизации стоимости в подавляющем большинстве случаев строится на многомодовой элементной базе, что позволяет реализовать параллельную передачу одним из двух способов. Первый – пространственное уплотнение – подразумевает, что каждому субканалу ставится в соответствие свое волокно. Количество световодов при этом варьируется от 8 до 24. В последнее время в силу разных причин отрасль тяготеет к схеме Base 8 (четыре волокна на прием и четыре на передачу). Второй способ – использование четырехканального коротковолнового спектрального уплотнения SWDM – выгоден тем, что для скоростей вплоть до 200 Гбит/с дает возможность сохранить удобную в эксплуатации двухволоконную структуру тракта и не отказываться от применения стандартного соединителя LC.

Однако на скоростях 400 Гбит/с, которые, как ожидается, будут массово востребованы в ЦОДах уже к середине следующего десятилетия, физическая параллельная передача пока безальтернативна. Создание группового разъема на базе LC вполне возможно технически. Одно из решений доведено до уровня предложений консорциума производителей активного сетевого оборудования и базируется на горизонтальной сборке вилок этих разъемов, но оно невыгодно из-за больших габаритов.

Таким образом, бесшовный переход на передачу со скоростью 400 Гбит/с предполагает внедрение нового типа оптических разъемов. Сильная сторона специализированных разработок этого направления (изделия SN компании Senko и MDC компании US Conec) – возможность эксплуатации в дуплексном и групповом вариантах, малые габариты и простота поддержки физической параллельной передачи. Изделия допускают одиночное и счетверенное применение. В последнем случае используется общая крепежная обойма, в которую обычные вилки вставляются под защелку. Процедуры коммутации при этом не меняются, так как обойма имеет механизм фиксации, идентичный механизмам отдельных вилок.

Справедливости ради отметим, что прямым предшественником SN и MDC может считаться изделие URM немецкой компании Euromicron, которое было разработано еще в начале 2000-х гг. и нормировано стандартом IEC 61754-34. Непосредственное использование этого соединителя для полноценной поддержки 400-гигабитных трактов затруднено из-за его неудовлетворительных габаритов: по площади миделя URM уступает своим более поздним аналогам примерно в 1,5 раза.

Обеспечение полярности дуплексных вилок

При организации дуплексных трактов по оптическим кабелям с ленточными волокнами необходимо обеспечивать правильную полярность. Делать это с помощью шнуров двух типов неудобно с эксплуатационной точки зрения. Поэтому ряд компаний предлагает универсальные конструкции, которые позволяют простыми средствами переключать полярность непосредственно на объекте. Разработки применимы как к моноблочным, так и к дуплексным вилкам, и базируются на различных принципах.

Например, существуют схемы на основе перестановки (рис. 1ба) и поворота отдельных вилок (рис. 1б). В первом случае вилки переставляются в крепежных гнездах, во втором – поворачиваются вокруг своей оси с последующим переносом защитной крышки.

Рис. 1. Основные схемы изменения полярности дуплексных вилок разъема LC:
а) перестановка вилок без переноса защитного козырька; 
б) поворот отдельных вилок дуплексной структуры на 180° с переносом защитного козырька

Снижение чувствительности к загрязнениям торцевой поверхности волокон

В процессе эксплуатации торцевые поверхности волоконного световода неизбежно загрязняются. Это происходит из-за того, что даже при соблюдении самых жестких норм на чистоту воздуха, принятых для технических помещений, в воздухе присутствуют взвешенные пылевидные частицы. Свой вклад может внести и нарушение правил эксплуатации элементов оптического соединителя.

Из-за малого диаметра световедущей сердцевины наиболее чувствительны к загрязнениям одномодовые соединители. До уровня практического применения доведены два способа решения этой проблемы.

Первый способ – расширение луча. На пути распространения оптического сигнала устанавливается микролинза той или иной формы, к которой непосредственно пристыковывается торец световода. За счет увеличения диаметра луча потери, возникающие из-за загрязнений, уменьшаются пропорционально увеличению площади (рис. 2).

Рис. 2. Влияние загрязнений оптически активных поверхностей на затухание оптического разъема:
а) обычная сердцевина; 
б) параллельный пучок света увеличенного диаметра

Технология PRECONNECT Lotus, анонсированная в 2017 г. и продвигаемая немецкой компанией Rosenberger OSI (Optical Solutions and Infrastructures), предполагает нанесение на торцевую поверхность световода специального покрытия. Его структура предельно точно воспроизводит структуру верхней поверхности листьев лотоса, в результате чего частицы пыли просто соскальзывают с него (здесь используется так называемый эффект лотоса: лепестки и листья лотоса выделяют воскоподобное вещество, которое образует на поверхности особую структуру (нанорельеф) в виде микроскопических выступов, благодаря чему их поверхность отличается крайне низкой смачиваемостью. – Прим. ред.).

Схема push-pull

Коммутационное оборудование, используемое в оптической подсистеме структурированного каблирования ЦОДа, должно обязательно иметь высокую конструктивную плотность. Механизм фиксации вилки LC как стандартного дуплексного соединителя реализован на основе рычажной защелки, которая требует для отключения пустого пространства в районе свободного конца рычага под большой или указательный палец выполняющего эту операцию человека. Данное обстоятельство серьезно ограничивает плотность конструкции коммутационного устройства и не позволяет увеличить ее более определенного предела.

Для преодоления этого ограничения в конструкцию вилки LC без изменения формфактора той ее части, которая взаимодействует с гнездом розетки, внедряют различные варианты тяг и иных механических элементов. Их использование позволяет отключать вилку без непосредственного доступа к свободному концу рычага.

Наиболее простой вариант заключается в адаптации к LC схемы push-pull, которая ранее применялась в его предшественниках: разъеме SC и миниатюрном MU. В этом случае нажатие на рычаг при отключении происходит за счет приложения тянущего осевого усилия к специально предназначенной для этого жесткой или мягкой тяге (рис. 3). Применение для этой цели защитного хвостовика встречается заметно реже.
Рис. 3. Варианты исполнения тяг механизма верхнего нажима дуплексных вилок LC для подключения к панелям высокой плотности:
а) верхняя стержневая тяга, взаимодействующая с прямым рычагом; 
б) верхняя стержневая тяга, взаимодействующая с изогнутым рычагом; 
в) верхняя стержневая тяга с дополнительным подвижным креплением к кабелю; 
г) нижняя стержневая тяга с верхним прижимом

Иногда разработчик отказывается от тяги в пользу рычажного механизма. Выигрыш в данном случае достигается за счет того, что точка приложения нажимающего усилия сдвигается назад, а передача отключающего воздействия на рычаг осуществляется с помощью системы рычагов. Малая популярность такого подхода объясняется кинематической сложностью схемы.

Учет перспектив внедрения 400-гигабитных линий в групповых конструкциях

Стандартные для ЦОДов групповые разъемы типа MPO/MTP, которые изначально были предназначены для организации физической параллельной передачи, потенциально могут армировать до 72 волокон в форме шести расположенных друг над другом групп по 12 волокон. 12-волоконный шаг отдельной группы невыгоден при организации параллельной передачи. Более удобные четырех- и восьмиволоконные схемы легко реализуются на типовых соединителях. 16-волоконная схема, необходимая для перспективных скоростей 400 Гбит/с, требует уже двухрядного расположения, что приводит к повышенным потерям.

Для того чтобы не прибегать к двухрядному расположению, в стандартный наконечник MT добавляют еще четыре посадочных места для получения соединителя MPO/MTP-16/32. Чтобы предотвратить ошибочное подключение к MPO/MTP-12, используется тройная механическая блокировка (рис. 4):
  • боковое смещение направляющего выступа;
  • изменение расстояния между центрирующими штифтами;
  • уменьшение диаметра центрирующих штифтов.

Рис. 4. Схемы размещения световодов, выравнивающих штифтов и ключевых кодирующих выступов в однорядных 12- и 16-волоконных наконечниках соединителей МТР

Внедрение групповых универсальных конструкций

Схема разъема MPO/MTP предполагает существование четырех различных вариантов вилки в зависимости от наличия или отсутствия центрирующих штифтов и расположения направляющего выступа на одной из широких граней наконечника, вследствие чего такая конструкция неудобна в эксплуатации. Наибольшим удобством среди серийных продуктов отличаются изделия компаний Panduit (PanMPO), Senko (MPO Plus) и US Conec (MTP PRO).

Конструктивная схема Panduit основана на разборном корпусе, который позволяет перемещать выполненную в форме салазок сборку направляющих штифтов в переднее и заднее положения с фиксацией под защелку и переносить направляющий выступ прямым поворотом обойменного фиксатора.

Изделия компаний US Conec и Senko выгодно отличаются от PanMPO своими меньшими габаритами, но в процессе изменения гендерности и полярности требуют применения довольно дорого ручного технологического приспособления.

Уменьшение уровня обратных отражений групповых разъемов

Быстродействующие лазеры одномодовых оптических передатчиков очень чувствительны к обратным отражениям. Мешающие влияния этой разновидности опасны значительными искажениями формы импульсов, нарушающими нормальное функционирование решающего устройства приемника, и создаются всеми элементами оптического тракта. Наибольший вклад в правильно собранную и реализованную на стандартных компонентах линию вносят разъемные соединители.

Типовой способ подавления обратных отражений до безопасного уровня -60 дБ на основе угловой полировки может применяться для всех типов соединителей, но его возможности для групповых разъемов ограничены из-за сложностей обеспечения надежного физического контакта всех световодов линейки. Кроме того, из-за большого усилия, прикладываемого в момент соединения, исходная полировка быстро разрушается, что сопровождается ростом уровня отражений даже в угловых соединителях.

Для подавления обратных отражений можно воспользоваться антиотражающими покрытиями. Их установка также делает ненужным наличие прямого физического контакта торцов волокон или заменяющих их элементов в собранном разъеме, что существенно замедляет деградацию соединителя по обратным отражениям в процессе эксплуатации линии связи. Впервые такое решение было представлено в середине текущего десятилетия американской компанией Arrayed Fiberoptics, а схему реализующего ее соединителя демонстрирует рис. 5.


Рис. 5. Конструктивные особенности APC-наконечника MT компании Arrayed Fiberoptics и взаимодействие наконечников в собранном разъеме

Отметим, что эффективность антиотражающего покрытия настолько велика, что компания Senko в своем разъеме Highdura MPO Plus даже отказалась от технически сложной угловой полировки.

* * *

Оптические соединители дуплексного и группового типа продолжают быстро развиваться. Основное направление их совершенствования -- расширение функциональных возможностей и переход на универсальные конструкции, пригодные для применения в различных областях.

Андрей Семенов, профессор, МТУСИ
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!