Un'introduzione ai connettori per fibra ottica

Di Steve Somers, vice presidente del settore Ingegneria

La trasmissione dei segnali AV su fibra ottica ha raggiunto la piena maturità ed è arrivato il momento di fare un altro passo avanti su questa strada nuova e avventurosa. Una soluzione in fibra può sembrare un'ottima idea in applicazioni complesse su lunghe distanze o con livelli elevati di sicurezza, ma poi bisogna fare i conti con la realtà. La soluzione di trasmissione in fibra rimane una valutazione importante in termini di investimenti che richiede pianificazione e implementazione precise. Quale formato si dovrebbe utilizzare per le apparecchiature di trasmissione: analogico o digitale? È disponibile hardware di trasmissione digitale? L'applicazione richiede fibra monomodale o multimodale? Come approcciare la fibra già installata del cliente? Quali connettori per fibra ottica utilizzare?

Nell'ultimo numero di "Technically Speaking" ho presentato le caratteristiche e le considerazioni fondamentali del conduttore in fibra. In questo contributo ci soffermeremo sui connettori ottici Subscriber Connector (SC), Straight Tip (ST), Fixed Connection (FC) e Lucent (LC) e sulle relative applicazioni, prestazioni e sui requisiti di terminazione. A differenza del connettore BNC, solido e onnipresente, utilizzato per il cablaggio coassiale in rame nelle applicazioni AV, i connettori ottici evolvono in parallelo ai progressi della tecnologia in fibra. Se i collegamenti in rame raramente hanno un impatto rilevante sulla perdita del segnale nelle applicazioni AV, i collegamenti in fibra hanno un effetto misurabile in corrispondenza di qualsiasi punto di interfaccia nell'ambito di un sistema di distribuzione.

In ultima analisi, i dubbi relativi ai collegamenti fisici devono essere affrontati. Forse saranno le stesse apparecchiature di trasmissione in fibra a dettare i requisiti di connettività. In altri casi potrebbe spettare a voi il tipo di connettività per quasi tutto il sistema di distribuzione in fibra. Anche se le perdite del cavo in fibra aumentano a seconda della tipologia e della qualità della fibra installata, ogni punto di collegamento impartisce una perdita decisiva. In base alle scelte effettuate, le perdite cumulative del segnale causate dalle interfacce di collegamento potrebbero superare le perdite che si verificano nel cavo stesso!

Mantenere il budget di perdita

La potenza ottica, al pari della potenza elettrica, normalmente è misurata in dB e -3 dB rappresenta il punto di potenza media in relazione al livello di riferimento della sorgente. Nei circuiti in rame, digitali o analogici, in sostanza si presuppone che il budget di perdita per tutti i connettori generalmente sia nullo. In altre parole, la perdita ohmica dovuta alle resistenze di contatto dei connettori è di solito trascurabile in confronto alla perdita complessiva del cavo. Nella maggior parte delle installazioni in fibra può verificarsi l'esatto contrario. Per cablaggio in fibra di lunghezza non superiore a circa 305 metri in applicazioni AV, la perdita del cavo può spesso essere inferiore a 3 dB. In realtà, un valore superiore di dispersione della luce, un'altra forma di perdita trattata nel mio articolo precedente, di solito fa passare in secondo piano perdite essenziali di attenuazione. In applicazioni di distribuzione che coprono molteplici kilometri, la dispersione nella fibra multimodale può risultare considerevole e richiedere quindi l'utilizzo di fibra monomodale con un più basso livello di perdita.

In un caso o nell'altro, ogni interfaccia di collegamento che il segnale in distribuzione incontra comporta una perdita misurabile. Spesso la perdita iniziale più rilevante si verifica in corrispondenza del collegamento di uscita della sorgente seguito dalla prima bretella del sistema. L'idea alla base di un buon connettore in fibra, chiaramente, è di mantenere al minimo le perdite di interfaccia fra le fibre collegate, osservando un budget di perdita che offre affidabilità di sistema sul lungo periodo. Anche la perdita causata dalle interfacce di collegamento viene specificata in dB. L'interruzione stessa del percorso luminoso rappresenta una determinata perdita di segnale in corrispondenza dell'interfaccia a causa di un innesto non corretto delle estremità delle fibre ottiche, ma possono esserci anche altre anomalie come uno scarso condizionamento della superficie delle fibre e un allineamento non parallelo delle superfici delle estremità che aumentano in maniera drastica le perdite oltre il livello previsto.

L'incremento di soluzioni di trasmissione laser su fibra ad alta velocità pone nuove criticità per il design delle estremità delle terminazioni della fibra. Le estremità diventano altamente riflettenti a velocità di trasmissione particolarmente elevate e richiedono un trattamento speciale, ad esempio lucidatura angolare o sferica, per ridurre al minimo gli effetti della perdita.

Ma trattando nello specifico il budget di perdita dei connettori, la perdita nominale delle interfacce di collegamento può variare da circa 0,1 dB fino a un livello di addirittura 1,5 dB per collegamento in condizioni di installazione previste. Considerando il numero di collegamenti aggiuntivi che possono essere necessari dalla sorgente attraverso il pannello di sezionamento di un rack apparecchiature, router e il posto di lavoro, il budget di perdita può aumentare rapidamente. E che cosa succede in presenza di condizioni inaspettate?

Condizioni nominali

Quando ci interfacciamo di giorno in giorno con gli altri non diciamo automaticamente, o forse in maniera retorica "Ciao, come va?". E la risposta obbligatoria dell'interpellato è "Tutto bene".

La mia risposta è sempre "Tutto nominale". Ed è diventata ormai un segno distintivo. Chi mi conosce bene si aspetta questa risposta mentre chi non mi conosce bene rimane spiazzato. Nominale? Che cosa significa? È un sinonimo di "bene"? Beh, significa che tutto è a posto, normale, e che procede in condizioni previste e ordinarie. Nel mio caso penso significhi "bene", ma non ricordereste o apprezzereste la mia risposta se lo dicessi.

Nelle progettazioni di sistemi in fibra, nominale equivale a bene. L'obiettivo è una progettazione che tiene in considerazione fattori imprevisti e mantiene comunque un'operatività nominale. Possiamo chiamarlo "margine di progettazione". Oppure una progettazione che considera lo scenario peggiore ma si aspetta condizioni prevalentemente positive. Penso che sia questo il principio guida dei progettisti dei connettori per fibra ottica. I collegamenti in fibra prevedono tolleranze meccaniche minute e di norma includono come regola e non come eccezione la possibilità di un allineamento non corretto delle fibre.

Un collegamento affidabile richiede estremità della fibra levigate e verticali dal punto di vista ottico. Le posizioni delle due estremità devono essere allineate in maniera precisa e tener conto di variazioni di alcuni micron, ovvero milionesimi di metro. Ricorderete dalla mia discussione precedente sui cavi in fibra che i diametri più utilizzati per la fibra multimodale sono 50 e 62,5 micron. La fibra monomodale ha un diametro di soli 8 o 9 micron. Il diametro di un capello, a confronto, varia dai 17 ai 180 micron. Errori di allineamento dell'ordine di pochi micron possono avere conseguenze enormi.

Tolleranze rigorose come queste richiedono la pulizia delle interfacce. Si noterà in questo articolo che alcune immagini delle figure riportano un piccolo cappuccio che copre la punta della ferula dei connettori. In genere i connettori e i cavi pre‑assemblati in fibra vengono spediti con cappucci applicati per una buona ragione. La macchia di un'impronta digitale o corpi estranei come polvere e sporco possono ripercuotersi in maniera pesante sulle prestazioni dei connettori fino a causare un'interruzione della trasmissione. Vi raccomando di utilizzare sempre il cappuccio protettivo se la fibra non è collegata.

La ferula, non l'eccezione

Una corretta calettatura dei connettori in fibra è essenziale. All'interno di tutte le progettazioni dei connettori moderni si trova un componente detto "ferula", la caratteristica di precisione che garantisce l'allineamento in fase di accoppiamento dei connettori. L'estremità della fibra è fissata all'interno della ferula tramite adesivi o crimpatura in modo permanente. L'estremità della ferula è rifinita, o lucidata, dopo aver inserito la fibra incorporata per fornire l'interfaccia liscia necessaria all'accoppiamento. Spesso la ferula è realizzata in materiale resistente, ad esempio ceramica oppure acciaio inossidabile, plastica o carburo di tungsteno. I diametri più comuni delle ferule sono 2,5 mm (SC, ST e FC) e 1,25 mm (LC).

Dato che può essere fabbricata con valori rigorosi di tolleranza, la ferula rappresenta il componente di allineamento primario per la fibra. Prese a molla interfacciano la ferula per fornire un supporto concentrico e lineare all'allineamento fra la fibra e la sorgente LED o laser oltre che per il fotodiodo del ricevitore. Inoltre, i cavi in fibra possono essere accoppiati utilizzando adattatori che integrano caratteristiche di allineamento con meccanismo a molla simili.

Diverse tipologie di connettori

La connettorizzazione della fibra sta evolvendo di pari passo con la tecnologia e le applicazioni. Ad oggi si utilizzano almeno 12 tipi di connettori, che derivano uno ad uno da esigenze specifiche e/o limitazioni tecnologiche del tempo. La tendenza moderna è di preferire connettori resistenti e compatti e dal costo moderato, in grado di supportare la maggiore densità richiesta dai nuovi sistemi di distribuzione. Non sorprende che sia il settore delle telecomunicazioni a trainare lo sviluppo, in larga parte a causa della sempre maggiore esigenza di connettività in fibra per svariati tipi di servizi di comunicazioni e intrattenimento.

La mia prima esperienza nell'utilizzo della fibra è iniziata con sistemi che utilizzavano il connettore ST. Fare riferimento alla Figura 1. Introdotto alla fine degli anni '80 da AT&T, è definito anche BFOC (Bayonet Fiber Optical Connector, o connettore per fibra ottica a baionetta). Il connettore ST (Straight Tip) è popolare soprattutto con reti LAN multimodali e sistemi CCTV ma è riconosciuto da un solo standard di connettività in fibra. Quanto all'aspetto, il connettore ST ricorda un connettore BNC in miniatura, con una punta in ceramica che si estende oltre il corpo del connettore. Nel gergo della fibra si tratta di un connettore simplex con design ad innesto a baionetta. Maneggiare i connettori ST richiede un'attenzione speciale alla ferula, che non è protetta e perciò vulnerabile. Ancora diffuso nelle applicazioni industriali, la popolarità del connettore ST è in declino, a favore di altri formati più compatti e calettabili.

Una tipologia simile al connettore ST è il connettore FC. FC è l'acronimo di "Fixed Connection" e trova impiego soprattutto in applicazioni monomodali nel settore delle telecomunicazioni. Lo stile ricorda il connettore ST dato il tipo di calettatura e la costruzione metallica, ma utilizza un fissaggio ad avvitamento filettato invece dell'approccio con blocco a baionetta. Progettato per ambienti con vibrazioni elevate, il connettore FC è citato nello standard TIA/EIA-604-04. Vedere la Figura 2.

Per molti di noi il connettore più usato è probabilmente il tipo SC. SC è l'acronimo di "Subscriber Connector". È il connettore previsto dallo standard TIA/EIA-568B.3 e spesso descritto come connettore "da edifici". Fare riferimento alla Figura 3. Il design in plastica rigida è piuttosto compatto ed è stato standardizzato per la prima volta nel 1992 da ISO/IEC. Questo connettore con meccanismo di innesto a scatto è disponibile in versione pre-assemblata simplex o duplex ed è codificato a colori per indicare il tipo di fibra: beige per la fibra multimodale e blu o verde per la fibra monomodale. Il connettore SC è ampiamente usato per installazioni negli edifici ma non è il design più compatto disponibile. Il formato duplex richiede un'area di 2,44 cm², piuttosto ampia quando si realizzano apparecchiature di routing in fibra.

Una tipologia di formato più piccolo rispetto al connettore SC è il connettore LC. Fare riferimento alla Figura 4. Progettato da Lucent Technologies, il connettore LC è il primo connettore di piccolo formato effettivamente resistente inteso a incrementare la densità complessiva nei sistemi di apparecchiature in fibra. Il connettore LC, che ricorda una versione più piccola della tipologia SC, aumenta la densità complessiva del 50% grazie a un ingombro minimo e un design con meccanismo di blocco con innesto a scatto. Si tratta di un notevole passo avanti in considerazione della densità dei collegamenti nell'ambito degli ambienti di commutazione delle aziende di telecomunicazioni. I connettori LC possono essere facilmente affiancati in una disposizione duplex calettata e sono dotati di una clip di fissaggio simile a un normale connettore RJ‑45. I connettori LC stanno acquistando popolarità soprattutto grazie all'utilizzo in gruppi ottici di trasmissione/ricezione SFF (Small Form Factor) di formato compatto.

La Figura 5 mette a confronto le dimensioni fisiche di questi quattro connettori. È chiaro che il connettore LC stia guadagnando popolarità grazie alle basse specifiche di perdita da interfaccia e all'ingombro minimo.

Elementi da tenere in considerazione

A prescindere dalla tipologia di connettore, gli elementi da ricercare sono accuratezza di allineamento, resistenza, ripetibilità e basse perdite. In genere i connettori calettati permettono di ottenere una ripetibilità di 0,2 dB di perdita di accoppiamento. Dato che il connettore svolge un ruolo sostanziale nelle perdite di trasmissione, due parametri principali tornano a rivestire importanza proprio come per i cavi in rame: perdita di inserzione e perdita di riflessione.

In questo contesto, la perdita di inserzione si riferisce alla perdita in decibel indotta dall'interfaccia del connettore, come trattato in precedenza. La perdita di riflessione, proprio come nel cablaggio in rame, si riferisce all'energia riflessa verso la sorgente di segnale a causa di riflessioni delle estremità della fibra. Specificare i parametri di perdita di inserzione dei connettori e di perdita di riflessione dipende in parte dagli strumenti di test utilizzati. Tuttavia, anche se variano da produttore a produttore, la maggior parte delle specifiche dei connettori sono almeno conformi ai requisiti TIA/EIA 568B.3 per reti dati commerciali. Lo standard TIA/EIA-568B.3 definisce una perdita massima di inserzione di 0,75 dB sia per la fibra multimodale sia per la fibra monomodale. La perdita di riflessione ha un valore minimo di ≥20 dB per la fibra multimodale e di ≥26 dB per la fibra monomodale. Fare riferimento alla Tabella 1. In genere un connettore SC può avere soltanto una perdita di 0,3 dB sull'interfaccia mentre un connettore del tipo LC può avere una perdita di soli 0,1 dB.

Ma tutto questo cosa significa? La perdita di inserzione è chiara, dato che corrisponde alla semplice addizione di tutte le interfacce dei connettori moltiplicata per il valore previsto di perdita in dB per connettore. A questo numero si aggiunge poi la perdita totale del cavo sulla lunghezza di cavo calcolata per la frequenza critica superiore. La somma di queste due serie di perdite produce la perdita base del sistema dovuta alla linea di trasmissione e ai connettori.

È un numero importante, che tutti i progettisti utilizzano per determinare se il sistema funzionerà in maniera "nominale" sulla base della differenza fra la potenza ottica del trasmettitore sorgente e la sensibilità del ricevitore ottico. Ma non è tutto qui. Il parametro della perdita di riflessione indica la quantità di energia che può essere riflessa indietro verso la sorgente. L'energia riflessa ripercorre il cavo sotto forma di segnale ritardato. Questo segnale può essere considerato un "modo" aggiuntivo, che abbiamo discusso nell'ultimo articolo sui cavi in fibra ottica.

È importante ricordare che molteplici modi, o percorsi luminosi, che si verificano nella fibra sono interpretati come un aumento di jitter del segnale sul lato del ricevitore nei sistemi digitali e come tempo di salita più lento nei sistemi analogici. In altre parole, prestazioni scarse di perdita di ritorno in corrispondenza di ogni raccordo dei connettori avranno un effetto cumulativo che si ripercuote sulla codifica del ricevitore anche se il livello del segnale rientra nei limiti nominali. Questo effetto si manifesta sotto forma di un deterioramento del punto di attraversamento dello zero ("zero crossing") di un diagramma ad occhio per i segnali digitali, così che la capacità del ricevitore di tracciare e seguire l'andamento dei dati è ostacolata fino a causare un'interruzione delle prestazioni. A confronto, i segnali analogici in fibra manifestano un peggioramento del tempo di salita, che si traduce in un'immagine molto sfuocata.

Ad esempio, per ogni connettore con una perdita di ritorno di soli 20 dB, circa l'1% del segnale viene riflesso. Questo valore può diventare rilevante in funzione del numero di connettori nell'ambito di una tratta di segnale. Una perdita di riflessione di 26 dB fa scendere questo livello a circa 0,3% e a 50 dB la perdita è di circa 0,001%.

Extender in fibra ottica FOX 500 di Extron Steve Somers ha osservato in questo articolo che il connettore LC offre prestazioni elevate a fronte di basse perdite di inserzione in un formato contenuto e che sta acquistando popolarità in applicazioni di telecomunicazione che richiedono collegamenti ottici ad alta densità in ambienti di commutazione.

In seguito a ricerche approfondite sui diversi connettori per fibra ottica anche noi abbiamo scelto di utilizzare ingressi di tipo LC per l'extender in fibra ottica FOX 500 di Extron in considerazione dell'ingombro ridotto, così che i collegamenti in fibra possono coesistere agevolmente accanto a tutti gli altri collegamenti necessari per segnali RGBHV, audio e di controllo seriale RS‑232 sul pannello posteriore. I doppi ingressi LC permettono inoltre di utilizzare facilmente una connettività a due fibre per comunicazioni bidirezionali fra il trasmettitore e il ricevitore FOX 500, con completo supporto di segnali RS‑232 passanti, controllo da una sede o dall'altra e monitoraggio del sistema in tempo reale.

Considerazioni sulla terminazione

Tradizionalmente, la terminazione della fibra era lenta e costosa e richiedeva apparecchiature complesse e doti tecniche. Si tratta di preoccupazioni probabilmente ben fondate considerando la terminazione della fibra monomodale sul campo. Tuttavia, per citare una vecchia canzone: "I tempi stanno cambiando...". In alcuni casi sono appropriati i cavi pre-terminati, ordinabili in svariati modi e disponibili in qualsiasi tipologia di connettore. La maggior parte delle bretelle di collegamento di lunghezza ridotta rientra in questa categoria.

Per installazioni personalizzate, l'unica opzione disponibile potrebbe essere la terminazione sul campo. Ma esistono altre alternative. La terminazione in sito della fibra monomodale è meno frequente ora che sono disponibili kit di giunzione, che riducono al minimo le apparecchiature e le doti tecniche richieste. Anche per i cavi multimodali nuove metodologie di giunzione impiegano un metodo semplice di fenditura della fibra seguito dall'assemblaggio del cavo a un connettore/pigtail pre-rifinito. In realtà, questa soluzione è una giunzione testa a testa più semplice fra le fibre. Le norme di giunzione prevedono di solito l'utilizzo di uno speciale gel ottico che rende possibile accoppiare le estremità della fibra.

Altrimenti la terminazione della fibra può essere realizzata con un nuovo sistema sviluppato da Corning che combina un semplice sistema di fenditura e crimpatura. L'estremità della ferula del connettore è pre-rifinita con una fibra inglobata. Questa fibra interna ha un'estremità pre-tagliata inserita in un raccordo a crimpare che contiene un gel ottico. Il cavo da terminare viene sguainato e tagliato utilizzando uno strumento di preparazione poco costoso. L'estremità preparata della fibra viene inserita nel raccordo a crimpare e allineata contro la fibra inserita servendosi di un dispositivo ottico che permette al tecnico di calibrare facilmente l'allineamento. Una volta allineata, il connettore viene crimpato e la terminazione è completata. L'intera procedura richiede dai due ai tre minuti.

Le terminazioni dei cavi multimodali consistono di solito di due tipi di lucidatura delle terminazioni: la tipologia con estremità piatte e intercapedine d'aria e la tipologia a contatto. Dei due metodi, il semplice stile a intercapedine d'aria può causare una perdita di riflessione pari a ≥14 dB, che corrisponde a circa il 3,2% di luce riflessa verso la sorgente. La tipologia a contatto è preferita dato che causa una perdita di riflessione pari a ≥20 dB, ovvero soltanto l'1%.

In genere i metodi di lappatura pre‑terminati delle estremità dei cavi monomodali che permettono di controllare le perdite di inserzione e riflessione sono di cinque tipi: Flat, contatto fisico (PC), contatto fisico super (SPC), contatto fisico ultra (UPC) e contatto fisico angolato (APC). I metodi di contatto fisico, da PC a UPC, impiegano diversi gradi di precisione delle terminazioni e producono una perdita di accoppiamento via via inferiore e una migliore perdita di riflessione. Lo stile APC offre ≥65 dB di perdita di riflessione che riduce le riflessioni a un valore di 0,000032%. I collegamenti monomodali APC garantiscono le prestazioni migliori ma la superficie di lucidatura angolata richiede che tutte le interfacce dei connettori siano dotate di una caratteristica di calettatura precisa. Visto il livello di precisione richiesto, la maggior parte dei collegamenti monomodali sono realizzati in fase di produzione. La terminazione in campo è realizzata al meglio utilizzando pigtail pre‑lucidati che consentono una giunzione testa a testa fra le fibre.

Discussioni conclusive

Capire quando terminare questa discussione è forse tanto importante quanto scegliere il connettore in fibra appropriato e terminarlo in maniera corretta. Abbiamo trattato alcuni principi basilari dei connettori in fibra che spero vi siano di aiuto quando vi trovate ad affrontarne le applicazioni. Gli stessi parametri si applicano anche ad altre tipologie di connettori che non ho avuto il tempo di descrivere. Prestare la dovuta attenzione alla scelta dei connettori e alla terminazione della fibra garantisce le migliori prestazioni disponibili per la tecnologia di collegamento di vostra scelta. Dopo tutto, l'idea è di progettare sistemi che conseguono un funzionamento nominale e, di conseguenza, un'elevata affidabilità del sistema.