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Comment polir correctement les connecteurs de fibre optique

A partir de MAGAZINE LIGHTWAVE, - 1er février 1997 – Une compréhension approfondie des raisons et des méthodes de polissage d'un connecteur à fibre optique permet de garantir des terminaisons cohérentes et de haute qualité.

Fred A.fons, amp inc.

Le polissage des extrémités de fibre / virole d'un connecteur de fibre optique influence de manière critique les performances optiques et est très sensible aux erreurs. Pourtant, le processus de polissage n'est ni difficile ni mystérieux. D'autres étapes de la procédure de terminaison de connecteur, telles que le sertissage, impliquent la fixation mécanique de la fibre dans le connecteur. En tant qu'étape finale, le polissage prépare la fibre optique pour garantir que les défauts et les non-uniformités dans les faces d'extrémité ou la géométrie de la fibre / virole ne dégradent pas le passage de la lumière à travers le joint de connecteur.

Un connecteur à fibre optique a la fibre placée dans une virole de précision, qui est en céramique, en acier inoxydable ou en polymère. Le polissage enlève tout excès d'époxy ou de fibre après le clivage, façonne la virole et élimine les rayures dans le verre, permettant une finition finale qui transmet les signaux optiques avec une perte minimale. Elle affecte deux types de perte optique: la perte d'insertion et la perte de retour.

Une faible perte d'insertion est l'exigence de performance optique de base d'un connecteur à fibre optique. Les connecteurs actuellement sur le marché présentent des pertes d'insertion de 0.2 à 0.3 dB. Les facteurs qui affectent la perte d'insertion comprennent les variations de la férule qui déplacent l'alésage (et la fibre) d'une position de point mort dans la férule, les variations de la fibre, en particulier l'ellipticité ou le manque de concentricité, (Ces paramètres se réfèrent à des écarts par rapport à une position parfaitement noyau rond exactement centré dans une gaine parfaitement ronde. Le noyau peut être légèrement décentré ou de forme légèrement elliptique.) une virole/face d'extrémité de fibre mal formée qui empêche les fibres de se toucher, mauvaise finition d'extrémité de fibre.

Les deux premiers facteurs sont déterminés lors de la fabrication du connecteur et de la fibre et sont indépendants de la volonté lors de la terminaison du connecteur. Les deux derniers facteurs sont directement influencés par le polissage. La finition des extrémités est importante car les rayures, les fractures et autres imperfections empêchent le transfert maximal de puissance optique entre les deux fibres de jonction.

Il y a quelques années, la pratique de terminaison conventionnelle suggérait que le meilleur accouplement entre deux fibres nécessitait un petit espace d'air entre elles. Le raisonnement était que les fibres accouplées pouvaient être endommagées si elles étaient autorisées à se toucher, en particulier si une fibre s'étendait au-delà de l'extrémité de la virole. Des études récentes montrent que le contact physique de deux fibres est désormais préféré pour de meilleures performances optiques.

La perte de retour est une mesure de la lumière réfléchie. Chaque fois que la lumière rencontre un changement dans l'indice de réfraction du matériau à travers lequel elle se propage, une partie de la lumière est réfléchie vers la source. Une partie de cette lumière réfléchie peut interférer avec le bon fonctionnement des sources lumineuses, en particulier des lasers. En raison de sa petite taille de cœur, une connexion fibre monomode nécessite une perte de retour élevée pour limiter la quantité d'énergie réfléchie.

Les principales causes de réflexion sont un entrefer entre les fibres (qui provoque des changements d'indices de réfraction) et la présence d'une couche altérée dans les extrémités des fibres. Les réflexions de retour sont minimisées dans une finition d'extrémité de contact physique, qui a une extrémité de virole / fibre qui met les fibres accouplées en contact les unes avec les autres. En raison de sa grande taille de cœur, une connexion fibre multimode peut tolérer certaines réflexions de retour; ce type de perte s'avère être un problème mineur qui est facilement contrôlé.

Par exemple, dans une application de câblage de locaux, la norme tia / eia-568a pour les connecteurs à fibre optique recommande une perte de retour de -20 dB pour les connecteurs multimodes et de -26 dB pour les connecteurs monomodes. Les exigences plus rigoureuses de Bell Communications Research (GR-326-core, qui couvre les exigences génériques pour les connecteurs monomodes) spécifient des pertes de retour aussi élevées que -65 dB.

Du point de vue du polissage, il est plus difficile d'obtenir une perte de retour élevée que d'obtenir une faible perte d'insertion. Un connecteur peut être poli pour obtenir une faible perte d'insertion, tout en produisant toujours une faible perte de retour. Pour les techniciens effectuant des terminaisons sur site ou en usine, une inspection visuelle avec un microscope portable fournit généralement une indication précise du polissage optique concernant la perte d'insertion. L'inspection visuelle, cependant, offre peu d'indices, voire aucun, sur les performances de perte de retour. Par conséquent, de bonnes procédures de polissage qui éliminent la couche modifiée sont essentielles pour les connecteurs monomodes. De plus, suivre les procédures recommandées par les fabricants est un bon moyen de développer des techniques de polissage de qualité. En fait, de nombreux fabricants et organisations indépendantes proposent une formation pratique sur la terminaison et le polissage des connecteurs. (Voir la section Calendrier, page 112, pour les sessions de formation - N.D.E.)

Pour déterminer un polissage de virole acceptable et non acceptable, considérez que, dans le connecteur idéal, une virole remplit les conditions suivantes (voir Fig.1):

  • La face d'extrémité forme un rayon lisse, le centre du rayon coïncidant avec l'axe de la fibre/ferrule. Le point haut du rayon coïncide avec l'axe de la fibre et de la virole. L'extrémité de la fibre affleure l'extrémité de la férule. La fibre est finie avec une finition sans rayures et sans défauts. Le rayon de courbure de l'extrémité de la virole est de 10 à 15 mm. Une face d'extrémité de férule non acceptable diffère d'une face acceptable en raison d'une ou plusieurs des conditions suivantes :
  • Le rayon n'est pas centré sur l'axe de la ferrule.
  • La dimension du rayon selon la spécification est incorrecte.
  • Le point haut du rayon est décentré. Cette condition est appelée un décalage au sommet. Tout décalage doit être inférieur à 50 microns.
  • L'extrémité de la fibre n'est pas de niveau avec l'extrémité de la virole; il fait saillie ou recule par rapport à l'extrémité de la virole. Cette condition est appelée dégagement et étiquetée comme étant positive (saillante) ou négative (recul). Un petit dégagement ou une petite saillie (50 nm pour les connecteurs à virole céramique) ne dégrade pas les performances.
  • La finition de l'extrémité de la fibre présente des rayures importantes ou d'autres défauts.

Le polissage des fibres monomodes est un processus en plusieurs étapes qui commence par un polissage rapide et grossier et se termine par un polissage final en suspension. Différents matériaux de polissage sont impliqués dans chaque étape. Dans la plupart des cas, un connecteur de fibre monomode utilise de l'époxy pour maintenir la fibre dans la virole. Un processus en six étapes garantit les techniques appropriées pour polir un connecteur à fibre optique monomode (voir Fig. 2).

  • La première étape consiste en un polissage manuel rapide - d'une durée d'environ 5 secondes, avec une pression moyenne appliquée - à l'aide d'un film grossier de 5 à 15 microns. Cette étape enlève le tronçon de fibre et nivelle le matériau en saillie (y compris l'époxy) à proximité de la virole. En règle générale, un technicien est capable de sentir l'époxy / fibre avant le polissage, mais pas après cette étape.
  • La deuxième étape nécessite un film d'oxyde d'aluminium de 5 microns. L'application à la main du film doucement sur l'extrémité de la fibre enlève l'époxy au ras d'une virole en céramique. Cependant, cette action pourrait également éliminer certains matériaux céramiques.
  • Dans la troisième étape, un film de diamant à grain moyen (3 à 6 microns) est utilisé pour commencer à façonner à la main les extrémités de la fibre / de la virole. Contrairement à l'oxyde d'aluminium, le film de diamant traite les matériaux en céramique et en verre de la même manière. Cette mise en forme à la main minimise la contre-dépouille, de sorte que la fibre ne recule que légèrement dans la virole. Étant donné que le but principal de cette étape est la mise en forme, elle laisse généralement des rayures visibles sur l'extrémité de la fibre.

Pour éliminer les rayures et obtenir une surface lisse, un film de diamant à grain fin (1 micron) est utilisé ensuite à l'étape quatre. En termes de perte d'insertion, la finition de la face d'extrémité doit être acceptable à ce stade.

Cependant, pour obtenir une perte de retour élevée d'au moins -45 dB, une cinquième étape ou étape de finition est nécessaire en raison de la couche à indice modifié sur la face d'extrémité de la fibre. Lors du polissage abrasif, une petite couche à l'extrémité de la fibre est modifiée de sorte que son indice de réfraction change. Ce changement augmente les réflexions (en d'autres termes, produit une perte de retour plus faible), et la cinquième étape de polissage en suspension est nécessaire pour éliminer la couche modifiée.

La cinquième étape utilise un film spécial (appelé HX), qui contient une couche supérieure de pâte de polissage. La suspension a à la fois un effet lubrifiant et chimique sur la fibre pendant l'application manuelle pour ramener l'indice de réfraction à sa valeur d'origine.

La dernière étape implique l'inspection. L'utilisation d'un microscope à main détermine l'acceptation ou la non-acceptation du polissage.

Les connecteurs multimodes et non époxydes nécessitent des exigences de polissage moins intenses que les connecteurs époxy monomodes. Les connecteurs multimodes n'ont pas les exigences rigoureuses de perte de retour des connecteurs monomodes, de sorte que la mise en forme de l'extrémité de la fibre / de la virole est moins critique. Le polissage des connecteurs multimodes est un processus plus court que celui des connecteurs monomodes, et le polissage des connecteurs multimodes sans époxy est encore plus court.

Pour obtenir des finitions de fibre / virole cohérentes et de haute qualité, les procédures du fabricant du connecteur doivent être suivies explicitement. Cependant, les procédures diffèrent généralement selon le type de connecteurs utilisés. Par exemple, les procédures de polissage des connecteurs FC et SC peuvent être différentes. De plus, la procédure de polissage des connecteurs ST en céramique et des connecteurs ST en polymère peut différer. Bien que les principes de base du polissage s'appliquent, des différences mineures importantes existent généralement.

La propreté est essentielle

Le maintien d'une zone de travail propre est obligatoire. Bien que cela soit facile en laboratoire, la propreté est tout aussi importante sur le terrain que dans les installations intérieures et extérieures. Gardez tous les films et tampons de polissage propres; les films propres surpassent les films sales. Cependant, les films de diamant peuvent être utilisés pour traiter plusieurs polis, mais les films d'oxyde d'aluminium doivent être changés pour chaque polissage.

De même, nettoyez les extrémités des connecteurs avec de l'alcool et une lingette entre chaque étape de polissage. Certains techniciens préfèrent nettoyer un connecteur avant et après chaque étape. Ce nettoyage élimine tout grain des faces d'extrémité de la fibre / de la virole.

Nettoyez régulièrement tous les tampons de polissage. Le grain sur un tampon modifie ses propriétés de polissage.
Inspectez les supports de connecteur pour vous assurer que leurs alésages restent sans grains. L'accumulation de saleté empêche la ferrule de dépasser à travers le support à la bonne distance. Une mauvaise distance se traduit par un polissage incorrect.

L'inspection visuelle au microscope est la méthode la plus précieuse pour évaluer l'extrémité de la fibre / de la virole. Observez que toutes les rayures restantes sont petites et qu'aucune fracture ou défaut majeur n'est détecté. Si des rayures persistent à cette étape, le technicien doit effectuer un polissage fin supplémentaire.

Pour les finitions finales inacceptables, certaines lacunes peuvent être corrigées par un polissage supplémentaire (voir Fig. 3). D'autres défauts signifient que le connecteur doit être rejeté. Si le connecteur est rejeté, le technicien coupe le connecteur du câble et recommence le processus de polissage.

Polissage à la machine ou à la main

Des machines à polir sont disponibles pour le polissage en usine ou sur site (voir photo). Ces machines peuvent généralement traiter par lots 6 ou 12 connecteurs à la fois.
Le polissage à la machine présente deux avantages principaux: des finitions de finition homogènes et des coûts de terminaison réduits dans la production à grand volume. La cohérence du polissage est particulièrement importante dans les applications de connecteurs monomodes, où une perte de retour élevée est requise. Même dans les applications de connecteurs multimodes, le besoin de cohérence peut rendre l'utilisation de machines impérative.

Étant donné que les machines à polir représentent un investissement majeur (plusieurs milliers de dollars), elles trouvent leur utilisation la plus large dans les applications à volume élevé, telles que la production en usine d'assemblages de câbles. Dans de telles applications, le polissage à la machine est plus économique que le polissage à la main (voir Fig. 4).

Des études montrent que le polissage manuel coûte environ 0.50 USD par connecteur, sur la base d'un taux de main-d'œuvre de 15 USD par heure et d'un temps de polissage de 2 minutes. Une polisseuse à 12 connecteurs peut finir environ 144 connecteurs par heure. Lorsque le coût de la machine est amorti sur un an, le coût de terminaison passe de 0.48 USD par connecteur si la machine est utilisée une heure par jour, à seulement 0.19 USD si la machine est utilisée six heures par jour. Même à des taux d'utilisation modestes, les coûts du polissage à la machine sont équivalents à ceux du polissage manuel et offrent les avantages supplémentaires de la cohérence.

Lors de l'évaluation des machines à polir, recherchez une machine qui minimise les variations du processus de polissage. Les variations entraînent des modifications du décalage des sommets, du rayon de courbure, de l'angle de polissage, du dégagement et de la finition des extrémités. Les polisseuses commerciales sont conçues pour pratiquement éliminer les variations de polissage et pour obtenir des polis uniformes de haute qualité. Ils incluent les caractéristiques suivantes:

Mouvement de polissage orbital

Un mouvement de polissage orbital, dans lequel le disque de polissage tourne dans un sens tout en se déplaçant de manière excentrique dans l'autre sens, crée un motif de polissage contrarotatif. Ce mouvement distribue le mouvement de polissage uniformément et sur une plus grande surface de film de polissage qu'un simple mouvement circulaire.

Maintiens aux quatre coins

Les attaches de maintien aux quatre coins du support de connecteur répartissent uniformément une pression ferme pour minimiser le décalage du sommet. Une alternative populaire - utilisant la pression centrale par le haut - permet la possibilité de remuer ou de faire vibrer le support de connecteur. Un tel mouvement augmente le décalage du sommet et conduit à des finitions incohérentes.

Pression de fond

Le film de polissage repose sur un tampon de polissage en caoutchouc. Ces tampons, en conjonction avec les fixations à quatre coins, répartissent la pression uniformément sur la zone de polissage. Parce que les tampons sont élastiques, ils aident également à contrôler le rayon de courbure car la virole est enfoncée dans le tampon pendant le polissage. Différents coussinets (et entretoises associées) sont disponibles pour différents styles de connecteurs. Il est important d'utiliser le tampon approprié.

Supports de connecteurs de précision. Les dispositifs porte-connecteurs sont usinés selon des tolérances rigoureuses afin que les ferrules soient positionnées avec précision pour le polissage.

Le choix du polissage à la main par rapport au polissage à la machine dépend à la fois des exigences de l'application et du volume du connecteur. Le polissage à la main peut donner des résultats acceptables dans de nombreuses applications, en particulier celles qui ne nécessitent pas de pertes de retour élevées. Un technicien peut être formé en quelques heures pour fabriquer des vernis à main acceptables. Cependant, la cohérence n'est toujours pas aussi efficace qu'avec un polissage à la machine, bien que les connecteurs polis à la main fonctionnent bien dans les spécifications requises. Par exemple, une application de câblage sur site ou de fibre jusqu'au bureau a des exigences généreuses par rapport aux performances typiques du connecteur. Un connecteur à fibre optique présente généralement une perte d'insertion de 0.3 dB. La spécification tia/eia-568a autorise 0.75 dB par connexion. Les techniciens réalisent facilement des polissages à la main qui se situent bien en dessous de l'exigence de 0.75 dB. tu

Fred A. Fons est chef de produit pour l'unité commerciale mondiale des systèmes d'interconnexion optique chez AMP Inc., à Harrisburg, PA.

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