Классический соединитель МРО и его клоны

Разъем MPO был сконструирован в 90-х годах прошлого века на основе наконечника MT, разработанного примерно десятью годами ранее японской компанией NTT, и до поры до времени был известен только узкому кругу специалистов по оптической связи. Сегодня МРО и его усовершенствованный аналог МТР приобрели ключевое значение для техники оптической связи локальных сетей и ЦОДов.

КАК ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ ПЕРЕДАЧА ВОЗРОДИЛА ИНТЕРЕС К МРО

Первоначально МРО был востребован крайне незначительно. Это связано с тем, что необходимость в многоканальной параллельной передаче по нескольким световодам одновременно до последнего времени возникала крайне редко. Вплоть до появления стандартов на ЦОД оптический соединитель МТР/МРО даже не упоминался в нормативных документах СКС.

Среди оптических коммутационных компонентов, помимо широко распространенных FC, ST, SC и LC, имеются очень оригинальные решения с неплохими потребительскими свойствами. Однако в силу целого ряда причин они остаются известны только немногим специалистам со стажем. В качестве примеров можно привести SC-RJ компании Reichle & De-Massari и EZ французского производителя Radiall. Вполне возможно, что такая же судьба ожидала и МРО, если бы не два обстоятельства:

• разработка была выполнена на очень хорошем уровне, обладала неплохими стоимостными параметрами, имела значительные резервы для совершенствования, а само изделие было нормировано в Северной Америке (стандарт TIA/EIA-604-5-D, известный также как FOCIS 5) и на международном уровне (стандарт IEC 61754-7);
• в связи с массовой потребностью ЦОДов в каналах связи, пропускная способность которых составляет 40 Гбит/с и выше при типовой дальности связи в несколько десятков метров, линии начали реализовываться на основе схемы параллельной передачи для получения экономически приемлемого решения.

Массовому переходу на параллельную схему организации линейной части систем передачи информации способствовали следующие факторы:

• экономическая нецелесообразность переноса на область локальных сетей принципов спектрального уплотнения, хотя они уже хорошо отработаны в сетях масштаба города и выше, ввиду небольшой ожидаемой протяженности линий;
• сложности с наращиванием пропускной способности одиночной цепи передачи данных свыше 10 Гбит/с из-за ограничений по быстродействию современной электроники.

Указанный скоростной барьер успешно преодолен только в последнее время за счет реализации многоуровневых линейных кодов, которые с успехом применялись в медножильных сетевых интерфейсах Ethernet с канальной скоростью передачи данных 1 Гбит/с и выше. Это позволило довести данный параметр до 25 Гбит/с.

В сложившейся ситуации для ускорения процессов разработки и минимизации затрат на НИОКР в качестве основного типа соединителя был принят МРО. Другие изделия (например, 4-волоконный разъем SC-QC компании IBM и 8-волоконный соединитель URM, созданный немецкой компанией Euromicron на основе серийных 1,25-миллиметровых индивидуальных наконечников), несмотря на ряд несомненных достоинств, фактически так и остались на уровне демонстрационных образцов.

ПЕРВЫЕ ШАГИ МРО

В соединителе МРО воплощен ряд интересных и необычных технических идей. Часть из них можно с полным правом отнести к революционным. Отдельного упоминания заслуживают следующие особенности:

• в качестве материала наконечника вместо традиционных на тот момент керамики или металла использован полифенилен — пластмасса, прочностные характеристики которой соизмеримы с таковыми у твердых металлов;
• для взаимной юстировки элементов разъема применяется оригинальная схема на основе комбинации прецизионных отверстий и центрирующих штифтов в наконечниках.

Радикальное отличие МРО от других известных оптических соединителей состоит в необычной конструктивной схеме, которая так и осталась уникальной для серийных разъемов. Как известно, возможны три варианта реализации этих компонентов тракта передачи сигналов: симметричный, несимметричный и гермафродитный. Абсолютное большинство оптических соединителей построено по симметричной схеме. Среди получивших широкое распространение серийных изделий несимметричная схема была реализована только в довольно популярном еще полтора десятка лет тому назад FJ (или Opti-Jack) компании Panduit. Гермафродитное исполнение встречается лишь у промышленных разъемов.

MPO объединяет в себе ряд характерных признаков симметричной и несимметричной схем. От первой заимствована трехэлементная структура построения соединителя. В нем присутствует розетка, в которую с двух сторон вставляются вилки. Однако за розеткой оставлена только функция крепежной обоймы вилок в собранном состоянии разъема, а также средства пассивной идентификации за счет окраски ее пластикового корпуса в различные цвета. Компоненты, которые осуществляют взаимное выравнивание сращиваемых световодов, полностью вынесены из розетки на вилки.

Механизм центрирования реализован на двух торцевых штырьках, которые при подключении первой вилки к розетке входят в ответные гнезда второй вилки, вставляемой в розетку с противоположной стороны. Таким образом, несмотря на наличие в составе соединителя штатной розетки, в процессе соединения всегда участвуют две конструктивно различающиеся вилки.

Дополнительно отметим:

• в большинстве случаев для удобства эксплуатации оптической подсистемы вилка со штырьками задействуется в составе панельной части соединителя;
• в качестве материала центрирующих штифтов используется преимущественно металл, а керамика, которая обладает более высокой износостойкостью, встречается в единичных случаях.

РАЗЪЕМЫ МРО ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Вполне естественно, что такое сложное и революционное по своей сути изделие, которым является MPO, прошло этап довольно многочисленных «детских болезней», и, как следствие, немало усилий было потрачено на их преодоление.

Первоначально MPO был доступен для применения в составе только многомодовых линий и поставлялся в двух вариантах: так называемом регулярном (англ. regular) с гарантированными потерями 0,75 дБ и улучшенном (англ. high performing или elite). Последний за счет тщательной обработки и ужесточения допусков по геометрии обеспечил снижение потерь до 0,3–0,4 дБ.

Последующее совершенствование технологии позволило:

• настолько снизить уровень вносимых потерь и обратных отражений, что появилась возможность использовать соединитель в составе одномодовых трактов передачи;
• создать АРС-вариант разъема (компания Sumitomo) и тем самым обеспечить его применение в сетях доступа;
• вплотную приблизить характеристики многоволоконного разъема к дуплексным и симплексным разъемным соединителям традиционного дизайна.

Следует, однако, отметить, что на сегодняшний день многомодовый MPO (или его клоны) позволяет соединять максимум 72 волокна, которые сгруппированы в 6 рядов по 12 световодов в каждом (в начале первого десятилетия нового века такой вариант разъема продемонстрировала компания AMP NetConnect). Для его одномодового варианта количество одновременно сращиваемых волокон ограничено 24 (два ряда по 12 световодов в каждом).

Большее удобство использования при построении коммутационного поля с высокой плотностью было достигнуто за счет следующих очевидных и отработанных ранее на симплексных и дуплексных коннекторах решений:

• применение ленточной или стержневой тяги, прикрепляемой к кольцевому движку фиксатора розетки в вилке;
• переход на изогнутые под углом 90° хвостовики оптического кабеля (англ. flex angle boot).

В серийное производство внедрены варианты соединителя с хвостовиками, форма которых оптимизирована для работы с ленточными и круглыми оптическими кабелями.

Компания Furukawa предложила вариант разъема МРО, допускающий простую разборку в полевых условиях, что заметно облегчает очистку торцевой поверхности наконечника и полировку волокон.

СОЕДИНИТЕЛЬ MTP

Врожденным недостатком первых серийных образцов соединителя MPO была довольно быстрая деградация первоначально неплохих характеристик по вносимому затуханию. Для его устранения американская компания US Conec предложила усовершенствованный вариант этого изделия, отличающийся заметно большей стабильностью параметров вносимого затухания и обратного отражения, а также улучшенной эксплуатационной надежностью. Наиболее существенные нововведения сводились к следующему:

• изменение формы торцевой части центрирующих штифтов с целью устранения острых кромок (см. рис. 1), что позволило увеличить примерно на 20% количество циклов включения-отключения соединителя с сохранением спецификационных характеристик по затуханию и уровню обратных отражений;
• модернизация механизма фиксации центрирующих штырьков в наконечнике;
• применение плавающей схемы установки наконечника в корпусе вилки, что заметно облегчило достижение физического контакта;
• переход на эллиптическую (в сечении) форму внутренней нажимной пружины и формирование фиксирующей выемки на узле ее взаимодействия с наконечником.

Рис. 1. Некоторые конструктивные различия разъемов МТР и МРО

Объем нововведений был достаточно большим, а эффект от их применения оказался настолько значительным, что разработчик с полным правом присвоил новому изделию уникальное обозначение МТР. Сильной стороной разработки была ее полная совместимость с созданными ранее изделиями МРО.

Для того чтобы подчеркнуть положительные свойства МТР, в различных рекламных материалах этот соединитель характеризовался как вариант разъема МРО с улучшенными параметрами по производительности.

НАКОНЕЧНИКИ МТР-12 И МТР-16

Применение рядной 12-волоконной раскладки световодов у исходных образцов МРО оказалось неудобным применительно к высокоскоростной параллельной передаче. Такая раскладка предполагала разбиение исходного информационного потока на несколько отдельных субканалов с уменьшенным темпом передачи в каждом из них. Однако число 12 не является целой степенью 2, что заметно усложняло схемотехнику приемопередатчиков сетевых интерфейсов.

Для устранения отмеченных недостатков в сентябре 2015 года было предложено перейти на 16-волоконную схему, что потребовало увеличения расстояния между центрирующими штифтами до 5,3 мм против 4,6 мм у прототипа. Одновременно в целях уменьшения уровня вносимых потерь и обратных отражений максимально допустимое количество рядов было сокращено до четырех.

По внешним габаритам наконечники МТР-12 и МТР-16 в розетке не различаются, как и конструкция элемента их фиксации, но в случае перехода на новую схему размещения световодов передача сигналов между ними становится невозможной. Подключить МТР-12 к МТР-16 (и наоборот) нельзя из-за упомянутого выше различного расстояния между центрирующими штифтами. Тем не менее, во избежание малейших попыток выполнения этой операции, был предусмотрен целый комплекс элементов механической блокировки, который включает в себя следующие решения:

• уменьшение диаметра центрирующих штифтов (с 0,7 до 0,5 мм);
• переход на несимметричную установку ключевого выступа вилки с нормированным в стандарте TIA-604-18 боковым смещением ответного выреза от оси симметрии розетки.

ИЗМЕНЕНИЕ ГЕНДЕРНОСТИ И ПОЛЯРНОСТИ ВИЛОК

Особенностью МТР/MPО является то, что вилка потенциально может:

• обладать различной гендерностью (содержать центрирующие штырьки или отверстия) из-за особенностей механизма взаимного выравнивания элементов разъема в собранном состоянии;
• иметь две полярности, то есть подключаться в розетку в двух положениях — кодирующим выступом вверх или вниз (англ. key up и key down соответственно) в зависимости от ориентации паза розетки.

Необходимость введения последней опции обусловлена требованиями обеспечения правильной полярности формируемого тракта передачи (см. статью автора «Полярность многомодовых оптических трактов для параллельной передачи» в январском номере «Журнала сетевых решений/LAN» за 2014 год). Поэтому в состав штатной элементной базы кабельной системы приходится включать шнуры и транковые кабели с вилками по меньшей мере четырех разновидностей, а также два варианта розеток. Потребность в столь широкой номенклатуре элементной базы создает крайнее неудобство как при строительстве, так и при текущей эксплуатации СКС.

Первый шаг к решению обозначенной проблемы был сделан при разработке соединителя МТР, в котором изначально была предусмотрена возможность смены гендерности. Эта процедура предполагала разборку корпуса вилки с помощью небольшого технологического приспособления и была крайне неудобна для выполнения в полевых условиях. Кроме того, полярность классической вилки МТР изменению не подлежала.

Еще один подход к решению проблемы гендерности был предложен в середине первого десятилетия нового века. Речь идет о так называемом нейтральном наконечнике разъема МРО (англ. neutral gender ferrule) с измененной формой торцевой части и дополнительной вставкой в розетке (его схема изображена на рис. 2). Серийный выпуск этой разработки не осуществлялся.

Рис. 2. Различия в исполнении механизмов выравнивания: а — классический МТР/MPO; б — модернизированный МТ с нейтральной гендерностью

Для полного устранения перечисленных недостатков в серийное производство были направлены варианты вилок соединителей, которые позволяют устанавливать необходимую гендерность и полярность в полевых условиях прямо перед началом использования. Данная процедура не требует разборки корпуса и в принципе может быть выполнена без специального инструмента.

Первое решение по изменению гендерности, продвигаемое компанией Panduit, предполагает модернизацию блока центрирующих штифтов. Вместо съемной детали этот узел выполнен в форме салазок, которые перемещаются в осевом направлении и могут фиксироваться в двух крайних положениях. Величина хода салазок выбрана таким образом, чтобы глубина отверстия в их заднем положении была достаточна для входа штырьков ответной вилки.

Обойма фиксатора вилки Panduit в розетке выполнена в виде пружинящей детали, при боковом сжатии которой обойма выходит из зацепов и ее можно повернуть вокруг своей оси на 180°, что приводит к изменению полярности.

В вилках МРО компании Senko использована иная схема решения поставленной задачи. Центрирующие штифты зафиксированы в держателе на достаточно тугой защелке и могут быть демонтированы обычным тянущим движением с помощью небольшого зажима-прищепки. В вилке предусмотрены также два кодирующих выступа обоймы фиксатора в розетке, причем рабочим в любой момент времени является только один из них. Каждый выступ устанавливается на защелке и может принимать два положения: выдвинутое и заднее. Эта особенность позволяет менять полярность без демонтажа обоймы фиксатора.

МОДЕРНИЗАЦИЯ МЕХАНИЗМА ФИКСАЦИИ

Механизм push-pull для фиксации вилки МРО в розетке не всегда эффективен с точки зрения практической эксплуатации. Компания Senko сделала два предложения по модернизации этого узла разъема, сохранив принцип линейного движения при подключении и отключении.

Соединитель МРО Micro предполагает применение специальной розетки и дополнительной технологической оправки. Фактически он представляет собой наконечник МРО, снабженный небольшим дополнительным односторонним боковым зацепом. Для коммутации требуется технологическая оправка, надеваемая на корпус вилки и позволяющая вставить ее в розетку. Для отключения оправка переворачивается на 180°. Находящийся на противоположной стороне выступ отжимает в сторону пластинчатую защелку и освобождает фиксатор, а зацеп в виде зуба позволяет выдвинуть вилку из розетки тянущим движением в направлении «от панели».

Соединитель МРО Latch отличается наличием пружинящего направляющего выступа, на верхней поверхности которого предусмотрена защелка в форме ориентированного наружу зуба. При установке вилки в розетку последний входит в соответствующую выемку направляющего паза и надежно фиксирует соединитель в собранном состоянии. Для вилки MTP Latch требуется специальная розетка, в которую может быть вставлен и обычный MPO.

УЛУЧШЕНИЕ МАССОГАБАРИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Наряду с соединителем МРО mini, который является безусловным лидером по массогабаритным показателям среди аналогичных устройств, имеется несколько других вариантов разъема с уменьшенными габаритами. Цель их разработки состоит в первую очередь в уменьшении длины изделия, которая у прототипа составляет внушительные 43 мм.

Для решения этой задачи достаточно широко применяются хвостовики, рассчитанные на плоские и круглые типы кабелей и имеющие начальный изгиб. Помимо этого, прибегают к изменению механизма фиксации вилки в розетке. Например, длина разъема с байонетным фиксатором, разработанного компанией Senko, составляет всего 18,5 мм, а размах углового перемещения запирающего ключа не превышает 45°, что заметно упрощает процесс работы с соединителем.

ЛИНЗОВЫЕ ВАРИАНТЫ МТР/МРО

Сильной стороной любого соединителя линзового типа является заметное снижение зависимости вносимых потерь от линейных и угловых смещений в узле юстировки, а также от небольших загрязнений оптически активных поверхностей. Разъемы этой разновидности использовались для организации межвагонной связи в экспрессах ICE на немецких железных дорогах еще в середине 80-х годов прошлого столетия.

Суть линзового разъема состоит в том, что с помощью классической линзы или ее функционального аналога формируется параллельный пучок света большого диаметра (по сравнению с диаметром сердцевины волокна). Ответный линзовый элемент возвращает входной световой поток в сердцевину второго световода.

От своих предшественников линзовый вариант МРО отличается наличием:

• выступающей за плоскость наконечника индивидуальной для каждого волокна полусферической линзы, стыкуемой с сердцевиной волокна;
• прямого физического контакта внешней поверхности линз для устранения френелевских потерь.

Серийные образцы разъемов МТР/МРО линзового типа предлагают компании US Conec и Molex (торговые марки PRIZM MT и Versabeam соответственно).

ВЫВОДЫ

1. Характеристики группового оптического соединителя MTP/MPO вполне соответствуют современному уровню развития техники, а возможности модернизации самого изделия еще далеко не исчерпаны.
2. MTP/MPO способен конкурировать с новейшими разработками групповых оптических разъемов и может быть рекомендован для использования в составе оптической подсистемы ЦОДа на всех ее уровнях при скоростях передачи до 400 Гбит/с.
3. В коммерческой продаже доступны образцы изделий МРО, позволяющие простыми средствами менять гендерность и полярность элементов соединителя без применения специальных инструментов и разборки вилки.
4. За счет внедрения многочисленных усовершенствований разработчикам удалось значительно повысить как плотность конструкции, так и удобство эксплуатации изделия, в том числе при выдвижении особых требований в отношении плотности компоновки коммутационного поля.

Андрей Семенов, директор по развитию компании «СУПР»