מחברים אופטיים לסביבה עוינת

מאת: רן טמיר, רייטק אלקטרוניקה. סביבת עבודה עויינת תמיד היוותה אתגר למערכות אלקטרוניות. התנאים של לכלוך, לחות, מליחות, חום, קור ועוד לא מיטיבים עם רכיבי האלקטרוניקה ושער הכניסה של הלכלוך אל פנים המערכות לרוב הוא דרך המחברים.
כאשר במחברי הנחושת השונים מצאו היצרנים דרכים רבות להקשיח ולאטום את המחברים בתחום הסיבים האופטיים הבעיה גוברת מעצם הרגישות הגבוהה יותר של הסיב על פני מגע נחושת.
אחת השיטות החדשניות והטובות יותר להתגבר על אתגרים היא טכנולוגיה של הרחבת אלומה Expanded Beam.
מדוע מחברי הרחבת אלומה Expanded Beam הם חיוניים ליישומים בצבא ויישומים אחרים תחת תנאי סביבה קשים מסורתית מחברי סיב אופטי בחיבור פרולה הוכחו כבלתי אמינים ביישומי סביבה קשים בשל רגישותם לעפר, אבק, בוץ, מים, שמן ומזהמים אחרים.
מאמר זה מסביר את היתרונות של טכנולוגיית Expanded Beam על חיבור הפרולה ומדגים כיצד ביכולת Expanded Beam להציע אמינות משופרת לאפליקציות צבאיות ויישומים אחרים בתנאי סביבה קשים.

הטכנולוגיה של מחברי הפרולה תוכננה במקור עבור מסדי תקשורת וטלקום מערכות הפועלות בסביבה נקיה יחסית. כפי שהשם מרמז, מחברים אלה מכילים פרולות בחישוקי מתכת ובתוכם סיבים אופטיים אשר תחת לחץ קפיץ בתוך השרוול מאפשר לסיבים האופטיים ליצור את החיבור. במהלך ההשמה, הפרולות בחישוקי המתכת מלוטשות באמצעות מכונות ליטוש בדיוק גבוה כדי לספק באופן מדויק את שטח הפנים הגיאומטרי עד לרמת התת מיקרון, הליטוש המדויק הכרחי בכדי להשיג את הביצועים האופטיים הנדרשים.
בשנים האחרונות, הפרולות בחישוקי מתכת שולבו אל תוך גופי מחברים קשיחים יותר בניסיון לספק ביצועים סבירים בתנאי סביבה קשים עבור יישומים צבאיים.
החיסרון הבסיסי והעיקרי של מחברי הפרולה הוא שכאשר המחבר לא מחובר, הסיב עצמו חשוף לחלוטין לסביבה החיצונית.
כל גרגיר אבק מקרוני משנה את הליטוש של הסיב וגורם לביצועים האופטיים להידרדר משמעותית. לעתים קרובות, עלול אפילו לחסום את התקשורת, הניסיונות לנקות את קצה חוד הסיב יכולים לגרום לנזק חמור לסיב האופטי וכתוצאה מכך הנחתה גבוהה. ביישומים לתנאי סביבה קשים, לסוג זה של מחבר יש מספר חסרונות:
1. הפרולה המלוטשת לדיוק רב נחשפת לסביבה החיצונית כאשר המחבר מנותק. זה מאפשר לסיבים להזדהם ע”י אבק, לכלוך, בוץ, מים וכו’
2. חלקיקי אבק קטנים בגודל של 9μm הנדבקים על קצה סיב singlemode מספיקים בכדי לחסום לחלוטין את אות השידור.
3. אם המחבר המזוהם מחובר למחבר אחר, הזיהום מועבר ממחבר למחבר. יתר על כן מחבר פגום יכול לגרום לנזק בלתי הפיך למחבר הנגדי שלו.
4. מכיוון שהמחברים לחוצים אחד כלפי שני ע”י קפיצים, כל חלקיקי הלכלוד ביניהם יישחקו את פני הפרולות והסיבים האופטיים ועלולים לגרום נזק רציני והנחתה גבוה לאותות.
5. מחברי פרולה קשים לניקוי הם מורכבים משלושה רכיבים למחבר (שתי פרולות ושרוול מתכת). שרוולי המתכת שנועדו ליישור מעוגנים בד”כ במחבר “הנקבה” ועל מנת לנקות אותם נדרש להגיע אל תוך שקע צר ועמוק. לעתים קרובות, נדרש פירוק המחבר על מנת לאפשר גישה אל הפרולות והשרוולים לניקוי.
6. חומרי ניקוי מיוחדים נדרשים לניקוי הפרולות, ומטליות ניקוי מיוחדות. נזק נוסף לפרולות יכול להתרחש אם חומרי הניקוי לא מתאימים.
7. כלל המכאניקה של מחברי הפרולה מקשים על אטימות המחבר למים ועל פי רוב מחברים אלא אטומים רק במצב בו הם מחוברים אחד לשני.
8. כאשר התנאים מושלמים הביצועים אופטיים של מחברי הפרולה טובים Insertion loss של ו-Returen loss מעל -45dB. עם זאת, הביצועים האופטיים ירדו במהלך שימוש רגיל ובסביבות קשות יתדרדרו מהותית.

מבט על פרולה בהגדלה שטח הפנים מראה זיהום אופייני משאריות אבק שמנוני. על מחברי הפרולה להיבדק תחת מיקרוסקופ לזיהום או נזק. (כפי שניתן לראות באיור 1). מחבר הפרולה הזכר נחשף באופן מלא עלול להזדהם בקלות או להינזק בעת היותו לא מחובר. הפרולות ושרוולי המתכת במחבר הנקבה נמצאים עמוק בתוך חור צר היוצר מלכודת לכלוך קשה מאד לניקוי. על פי רוב נדרש פירוק המחבר על מנת לנקותו כראוי. (כפי שניתן לראות באיורים לעיל) מחברי Expanded Beam עוצבו במיוחד כדי לפעול בסביבות קשות. הם מיישמים טכנולוגיה של סביבה אטומה לחלוטין לסיב מאחורי עדשה.
העדשה למעשה מגדילה את השטח הפעיל של הסיבים, ובכך מאפשרת למחבר עמידות גבוהה לעפר ולכלוך במידה ניכרת ואמינות גבוהה יותר ולכן שימוש בתנאים קשים.
במהלך הייצור וההשמה של המחבר, הסיבים מלוטשים על ידי מכונות ליטוש עם דיוק גבוהה בכדי להשיג פרופיל המאפשר לסיבים האופטיים להתחבר.
הרחבת הסיבים האופטיים במחברים מתבצעת ע”י עדשה בקוטר 3 מ”מ המרחיבה את פליטת האור מהסיבים האופטיים. אלומת האור הזו עוברת דרך רווח אוויר למחבר הנגדי, שם נאסף אור ומרוכז חזרה על ידי העדשה השנייה לתוך הסיב האופטי הנגדי כדי להשלים את החיבור.
עם סיבים 50/125 multimode, אלומת האור מורחבת ולמעשה קיים שטח פעיל של בערך 150 פעמים גדול יותר מאשר ליבת הסיב האופטי המקורי. באלומה מורחבת singlemode ההרחבה מגדילה את השטח הפעיל של קרן האור בכ-2000 פעמים יותר.
הגדלת קוטר האלומה הופכת את המחבר לפחות רגיש לחלקיקים קטנים של אבק או זיהום אחר אשר יכול לטשטש לחלוטין מחבר פרולה.

מבנה “המגע” במחבר אלומה מורחבת
מחברי אלומה מורחבת מרוביי ערוצים פותחו על מנת להציע שיטה מעשית של מחבר רב ערוצי בטכנולוגיה של אלומה מורחבת. מחברים אלה באופן טיפוסי מורכבים מיחידת מתכת אל חלד המכיל 1 עד 16 עדשות כדוריות (ערוצים אופטיים).
חברת Fibreco היא יצרן מתמחה של מחברי אלומה מורחבת ומיוצגת בארץ באופן אקסקלוסיבי על ידי חברת רייטק בישראל.
המחברים של Fibreco בטכנולוגיה של האלומה המורחבת מנצלים הסדר ייחודי, על ידי פטנט אופטי לפיו הממשק הקריטי בין הסיב האופטי אל העדשה חתום לצמיתות תהליך זה מיושם באווירה מבוקרת במהלך הייצור. הדבר מבטיח כי אבק, לחות או מזהמים אחרים לא יכולים לחדור לתוך הנתיב האופטי במהלך חיי המוצר.
שטח הפנים של הערוץ במחבר אלומה מורחבת מקיים את שטח החיבור, קיים פין מוביל אל מול שקע נגדי המבטיח הובלה והתאמה של הזכר אל הנקבה ועדשות כדורית המודבקות על ידי אפוקסי לאיטום. העדשות מיוצרות מזכוכית קשה מאוד ומצופות בחומר נגד השתקפויות. מחברי האלומה המורחבת של Fibreco תוכננו בקפידה כדי למנוע “מלכודות עפר” ועם משטחי חזית שטוחים בכדי לאפשר ניקוי קל.
מחברי האלומה המורחבת מורכבים עם קפיצים. וכאשר שני המחברים מחוברים הם מיושרים בתיאום על ידי פין מוביל לשקע והמגע מושלם בלחץ קפיץ על הפנים החיבור שלהם. העדשות הכדוריות נשארות ללא מגע ביניהן.
Fibreco פיתחו מחברים בטכנולוגיה שמאפשרת השמה קלה לייצור והרכבת הסיב האופטי הנעשית באופן סטנדרטי ובכלי השמה אופטיים רגילים.
פרולות המבוססות על תקן מחבר LC מורכבות על כבל סיב אופטי באמצעות אפוקסי תקני. לאחר מכן הפרולות פשוט מוכנסות אל תוך החלק האחורי של מבודד המתכת המחזיק את העדשות ומקובעות אל מקומן על ידי טבעת קפיצית.
את הפרולות ניתן להוציא ולהחזיר למקומם דיי בקלות ואפילו להחליפן במקרה של נזק. חשוב לציין, את כל תהליך השירות נתן לבצע מבלי לבצע פעולה חוזרת של הרכבת הסיב האופטי לפרולה.
משפחות המחברים השונות של Fibreco מיני, ג’וניור, סיניור מקסי עוצבו במיוחד עבור יישומים חיצוניים ותנאי סביבה קשים ונמצאים בשימוש נרחב בתקשורת טקטית, צבאית, שימושי חוץ, תחנות שידור, כרייה ועוד יישומים רבים בתעשייה.
אומנם עד כה במאמר זה נעשה שימוש במונחים של זכר/נקבה אך למעשה המחברים בטכנולוגית אלומה מורחת הם הרמפרודיטים משמע הם זכר ונקבה כאחד ובכך מבטל את המבנה הקלסי של מחברים עם פינים ושקעים ויוצרים משטחים אחידים האמידים הרבה יותר לתנאי סביבה קשים ומלוכלכים המוכרים על פי רוב במערכות צבאיות. בנוסף מבנה זה מאפשר גמישות יתר למיקומים שונים של מחברים במערכת ומבטל את הצורך במתאמים שונים (ראו איור 2 בעמוד הקודם). גופי המחברים עשוי מחומרים שיתאימו למגוון רחב של סביבות עבודה וכולל סגסוגות אלומיניום, נירוסטה ברונזה ניקל. המחברים ההרמפרודיטים של Fibreco אטומים לחלוטין (IP68) ללא קשר למצב החיבור ו/או הרכבת מכסה האבק או לא (ראו איורים 3-4 בעמוד הקודם).
המודולריות של מחברי האלומה המורחבת מאפשרת השתלבות סגנונות רבים של משפחות מחברים. משפחה נוספת כוללת MIL-C-38999 בארבע מידות סטנדרטיות ועד 16 ערוצים, ומחברים באטימת זכוכית לסביבה תת ימית עד 3000 אטמוספרות.

אמינות גבוהה בסביבות קיצוניות
בעוד שלעיצוב גוף המחבר והאיכויות של ייצור הרתומות יש השפעה חשובה על האמינות של המחבר, ללא ספק הגורם הקריטי ביותר הוא היכולת העקרונית לעמוד בתנאי סביבה קשים ללא קשר אם המחבר מחובר או לא או עם כיסוי מגן או לאן.
מחברי הפרולה חייבים גם לעמוד בפני תהליכי ניקוי ולעתים קרובות ונזק יכול להתרחש אם משתמש לא מיומן מנסה לנקות את המחבר או אם חומרי הניקוי אינם נכונים. לעומת זאת, מחברי האלומה המורחבת אינם דורשים פירוק כלים מיוחדים או חומרי ניקוי מיוחדים בכדי לנקותם כראוי. נזק לא יכול להתרחש בתהליך הניקוי.
להלן הדגמה ליכולת המחבר מסדרת ג’וניור צבאי של Fibreco לעמוד בטבילת בוץ ולעבור ניקוי בקלות וחזרה לפעילות ללא השפעה מזיקה על הביצועים האופטיים שלו (ראה איורים בעמוד הקודם 1-6).
מסקנה בעוד שלמחברי הפרולה יש Insertion loss נמוך יותר ממחברי האלומה המורחבת כאשר המוצר הוא במצב חדש/מושלם (לרוב-0.3dB), הביצועים האופטיים שלהם יתדרדרו לאורך חיי המוצר ובסופו של דבר לכשל בשידור האות.
התחזוקה השוטפת של מחבר הפרולה נדרשת כדי לשמור על הביצועים האופטיים הטובים.
וזה כולל את פירוק החלקים במחבר נקבה, הסרת שרוולי היישור (חלקים קטנים אשר הולכים לאיבוד בקלות בתנאי שדה) ושימוש במטליות ניקוי, חומרים מיוחדים וכלים (כולל מיקרוסקופ בדיקה וטבעת חיזוק).
תחזוקה של מחברי הפרולה יכול להתבצע רק על ידי טכנאים שהוכשרו במיוחד לכך.
אם סיב אופטי או פרולה נפגעו, הניקוי לא ישחזר את הביצועים האופטיים המקוריים.
מחברי פרולה פגומים יידרשו לליטוש מחדש וזה יכול להיעשות רק באמצעות מכונת ליטוש לסיבים אופטיים בתנאי מפעל נקי.
מחברי פרולה שניזוקו קשות יידרשו להשמה מחודשת או להחלפה.
מחברי אלומה מורחבת הוכחו כעמידים בסביבות קיצוניות ללא צורך בטיפול מיוחד או בציוד ניקוי. ההגנה על הסיבים האופטיים מאחורי העדשות מבטיח כי אין נזק או בלאי שיכול להתרחש.
אמונם הביצועים האופטיים של מחברי הפרולה גבוהים יותר מאשר במחברי האלומה המורחבת. עם זאת, הביצועים האופטיים של מחברי האלומה המורחבת הוא קבוע לאורך חיי המוצר והסבירות לכישלון המוצר בנקודה קריטית מופחת במידה ניכרת.

רן טמיר הינו סמנכ”ל שיווק ומכירות
רייטק אלקטרוניקה