8 cose da sapere sugli Slip Ring a Fibra Ottica – FORJ

Alcune nozioni fondamentali e definizioni sui giunti rotanti a fibra ottica (FORJ)

Il giunto rotante a fibra ottica (FORJ – Fiber Optic Rotary Joint) è l’equivalente ottico dell’anello di contatto elettrico, più comunemente detto Collettore Rotante o Slip Ring. Permette la trasmissione ininterrotta di un segnale ottico durante la rotazione lungo l’asse della fibra. Il FORJ è ampiamente utilizzato in sistemi di guida missilistica, sistemi robotici, veicoli telecomandati (ROV), sistemi di perforazione petrolifera, sistemi di rilevamento, dispositivi medici (OCT), comunicazioni in genere e molte altre applicazioni “da campo” dove è richiesta la trasmissione per mezzo di un cavo in fibra ottica tra una parte statica ad una in rotazione continua, evitando così l’usura da torsione meccanica.

1. Tecnologia

Da una rapida ricerca brevettuale si può facilmente constatare la quantità di tecnologie brevettate in ambito giunti rotanti a fibra ottica, sia due canali sia multi-canale. Commercialmente, tuttavia, viene implementato solo un numero limitato di principi costruttivi. Per i nostri Slip Ring utilizziamo tecnologie atte ad agevolare sia i FORJ dual-port (2-channel) sia multi-port (multi-channel), offrendo così ai nostri clienti un prodotto dalle prestazioni eccellenti.

2. Parametri chiave

La funzione dei FORJ è quella di trasmettere potenza e/o segnali tra due o più cavi in fibra ottica posti in libera rotazione tra loro. Pertanto, è importante che il dispositivo abbia una bassa perdita di inserzione (insertion loss), una variazione minima nella perdita di inserzione (wow) e un’elevata perdita di ritorno (return loss), parametri che identificano la quantità di riflessione generata da un FORJ e, conseguentemente, la sua qualità. Andiamo più nel dettaglio…

Insertion Loss (IL): la perdita di inserzione di 3 dB equivale alla trasmissione del 50% della potenza ottica trasmessa. I convertitori multimediali più comunemente usati offrono un budget ottico complessivo superiore a 15 dB. Tuttavia, la quantità di connessioni e componenti in fibra tra la coppia di convertitori può dare origine a perdite importanti; pertanto è essenziale mantenere una perdita di inserzione relativamente bassa attraverso i giunti rotanti in fibra ottica. La tipica perdita di inserzione dei nostri FORJ a canale singolo è di 0,5 dB e 3 dB per canali doppi e multipli.

Insertion Loss Variation (wow): a causa delle mutevoli condizioni di accoppiamento, non è raro rilevare delle variazioni di perdita mentre il FORJ è in rotazione. Tuttavia, se questa variazione supera una certa soglia, il rapporto segnale / rumore degraderà. Tieni presente che se il wow è un parametro fondamentale per la tua applicazione dovrai selezionare uno dei nostri FORJ a canale singolo per assicurarti un wow inferiore a 0,25 dB. Il wow, infine, viene utilizzato anche come indicatore dello stato di salute generale del dispositivo.

Return Loss (RL): tutte le sorgenti laser, in particolare i laser DFB (feedback distribuito), sono sensibili alla riflessione ottica, che causa fluttuazioni spettrali e, successivamente, jitter di potenza. La perdita di ritorno è una misura della quantità di riflessione accumulata in un sistema ottico. Una riflessione di -45 dB equivale a una perdita di ritorno di 45 dB. Mentre è possibile ottenere una perdita di ritorno di 60 dB con fibre monomodali, per i FORJ multicanale si ha tipicamente una perdita di 40 dB.

Un return loss di 40 dB è il requisito standard tra i componenti passivi single-mode (quali sono i FORJ) sufficiente a garantire il corretto funzionameno del sistema. Tutti i FORJ offerti da Servotecnica soddisfano questo requisito. È possibile fornire FORJ con RL da 50 dB a 60 dB come opzioni standard.

3. Canale singolo o canali multipli

Il singolo canale FORJ ha una struttura meccanica molto semplice che consente al dispositivo di essere altamente affidabile, durevole nel tempo, compatto e di ruotare ad alta velocità. È importante considerare che un FORJ a fibra singola può trasportare decine (se non centinaia) di canali dati e che anche in combinazione con un multiplexer ha un costo molto inferiore se comparato ad un FORJ a canali multipli.

Per chi avesse comunque bisogno di due canali, Servotecnica offre FORJ dal design coassiale in grado di soddisfare le specifiche più esigenti pur mantenendo costi ragionevoli e dimensioni ridotte. Inoltre, questa tecnologia garantisce l’assenza di “punti morti” (detti black spot).

Per i FORJ multicanale è necessaria una struttura meccanica più complessa. Questi dispositivi richiedono un accurato allineamento ottico per mantenere buone prestazioni in tutte e tre le aree chiave sopra menzionate. Un allineamento o un design ottico inadeguato, non solo comprometterebbero le prestazioni ottiche chiave, ma potrebbe far insorgere situazoni quali:  perdita ad alta lunghezza d’onda, alto PDL (perdita dipendente dalla polarizzazione), alta PMD (dispersione della modalità di polarizzazione) e crosstalk elevato (vedere ulteriore discussione in basso). Il design multicanale dei nostri Slip Rings consente di allineare fino a 12 canali standard, in aggiunta a svariate personalizzazioni.

La perdita dipendente dalla lunghezza d’onda è una misura dell’uniformità della perdita d’inserzione sulla lunghezza d’onda, poiché sono comuni lunghezze d’onda multiple come 850, 1310 e 1550 nm. Se il sistema ottico contenesse un elemento altamente dispersivo, la perdita dipendente dalla lunghezza d’onda potrebbe essere un problema. La differenza di perdita di inserzione di 0,5-1,0 dB tra 1310 nm e 1550 nm è generalmente accettabile.

Simile alla perdita dipendente dalla lunghezza d’onda è la perdita di inserzione rispetto alla polarizzazione. In un tipico sistema a fibra ottica, la polarizzazione d’ingresso varia in maniera casuale. Meno di 0,1 dB è considerato lo standard del settore per i componenti passivi. È noto, inoltre, che un componente ottico con un angolo di incidenza non normale crea PDL a livelli elevati.

La dispersione della modalità di polarizzazione è l’indice di allungamento degli impulsi dato dalla differenza di velocità di spostamento delle due modalità di polarizzazione ortogonali. Qualunque bi-rifrangenza, naturale o indotta, causerà PMD nel sistema. 0,1 pico-secondi (ps), o meno, è il requisito più comune per i componenti passivi. Si noti che il PMD non è un fattore da considerare fatta eccezione per le larghezze di banda di segnale di 1 o più gigabit o superiore.

Il crosstalk (o diafonia) misura il rumore o l’interferenza elettromagnetica che si può generare tra due canali adiacenti. Più alto è l’indice, più bassa è l’interferenza. Ad esempio, una diafonia a 60 dB rappresenta l’interferenza sui canali adiacenti di 1 parte per milione. Il requisito di diafonia varia da sistema a sistema; in generale, più alto sarà il budget ottico del sistema, maggiore dovrà essere l’indice di crosstalk. Tutti i FORJ a canale doppio e multiplo offerti da Servotecnica offrono tipicamente una diafonia superiore a 60 dB.

4. Singlemode vs. multimode

Il core di fibra molto più piccolo (9 micron) delle fibre single-mode mantiene i fasci ottici nella loro forma più pura con un profilo gaussiano matematicamente perfetto. La capacità della larghezza di banda della fibra single-mode è molto più ampia di quella delle fibre multi-mode. La sua larghezza di banda è anche molto meno dipendente dalla lunghezza della fibra e può essere estesa facilmente. Nel complesso i sistemi multi-mode offrono ancora il vantaggio di costo rispetto a single-mode. Tuttavia, il divario si sta riducendo man mano che cresce la popolarità di single-mode.

5. Taglia

Le dimensioni contano e la storia dei componenti passivi in fibra ottica lo ha ampiamente dimostrato. In effetti, soluzioni sempre più compatte hanno fatto da traino per l’innovazione. Non è raro affiancare la trasmissione su fibra con collettori rotanti elettrici, giunti rotanti a radio frequenze o giunti rotanti a fluido, con la collocazione del FORJ al centro del sistema; questo fa si che il suo diametro sia un fattore determinante per la dimensione complessiva del sistema. FORJ più piccoli significano un costo inferiore per l’intero sistema.

6. Fibra o connettore femmina (pigtail o receptacle)

Un FORJ può essere finito con fibra libera (pigtail) o contenitori femmina (receptacle) su entrambe le estremità del dispositivo. In genere, la versione con pigtail di fibra ha prestazioni ottiche più ripetibili poiché elimina l’incertezza nelle giunzioni dei connettori. Inoltre, i connettori difettosi nella versione pigtail possono essere facilmente ricondizionati o riterminati, mentre un difetto simile nella versione con receptacles (connettori femmina) potrebbe rivelarsi irreversibile.

Per questi motivi, noi di Servotecnica siamo soliti raccomandare la versione pigtail alla maggior parte dei nostri clienti. Tuttavia, per le applicazioni che non consentono l’utilizzo di terminazione in fibra fissa sul dispositivo, i nostri FORJ serie R offrono connettori femmina di formato FC e ST. È inoltre possibile mischiare e abbinare fibra e receptacle in un’unica soluzione in configurazioni personalizzate.

7. Foro passante

Quasi tutti i FORJ standard disponibili sul mercato sono privi di foro passante e, quando presente, non sono realmente dei FORJ passivi, in quanto sostituiscono la fibra d’uscita con un rilevatore fotografico. Progettare un FORJ passivo con foro passante è molto complesso. Servotecnica offre diversi modelli passivi con foro passante per le applicazioni più svariate.

8. Riempimento con fluido

I FORJ sono stati ampiamente usati in applicazioni subacquee, dove il grado di tenuta sull’acqua e l’equalizzazione della pressione sono caratteristiche fondamentali. Il riempimento mediante fluido non solo rende possibile la compensazione della pressione, ma fornisce anche la lubrificazione e corrispondenza dell’indice di rifrazione più corretta. Servotecnica offre modelli riempiti sia con liquido sia fluidi per soddisfare tutte le esigenze applicative.

Tutti i nostri FORJ possono essere personalizzati per soddisfare esigenze specifiche. Chiamaci se non trovi una soluzione immediata sul nostro sito, rimarrai piacevolemente sorpreso nel scoprire quanto possiamo semplificarti il lavoro!