Соединения оптических волокон с помощью сварки
Соединение оптических волокон с помощью сварки является сегодня наиболее распространенным методом получения неразъемных соединений. Благодаря в достаточной мере совершенной технологии этот метод позволяет получать качественные соединения с низкими показателями вносимых потерь (порядка 0,1-0,15 дБ), что обуславливает его применение на линиях связи, где этот показатель входит в приоритетные - магистральные, зоновые и другие - высокоскоростные ВОЛС.
Сваривание оптических волокон предусматривает оплавление концов волоконных световодов путем помещения их в поле мощного источника тепловой энергии, как, например, поле электрического разряда, пламя газовой горелки, зона мощного лазерного излучения.
Каждый из перечисленных методов имеет свои достоинства и недостатки. Достоинством метода сварки с помощью лазера можно считать возможность получения чистых соединений из-за отсутствия в них сторонних примесей, и, как следствие, достаточно малых вносимых потерь (0,1 дБ и менее). Как правило, в качестве источника лазерного излучения высокой мощности (до 5 Вт) используются газовые лазеры на СО2.
К достоинствам метода сварки с помощью газовой горелки следует также отнести возможность получения соединений оптических волокон, отличающихся высокой прочностью мест сростков. В качестве источника пламени используют смесь пропана с кислородом или соединение кислорода, хлора и водорода. Этот метод распространен по большей части для сварки многомодовых оптических волокон.
Основным достоинством сварки в поле электрического разряда является быстрота и технологичность. Этот метод в настоящее время приобрел наибольшую популярность для сварки одномодовых световодов.
Аппараты для сварки оптических волокон можно классифицировать следующим образом: по способу юстировки свариваемых концов оптических волокон (в зависимости от геометрических размеров сердцевин или от потерь мощности светового сигнала, распространяющегося через место сварки); по способу проведения операций (ручные или автоматические); по типу устройства контроля (микроскоп, монитор на жидких кристаллах); по количеству оптических волокон, которые могут быть сварены одновременно (одно- и многоволоконные).
Схема сварки отдельного оптического волокна и ленточного элемента в поле электрического разряда
При сварке оптических волокон в поле электрического разряда можно выделить такие технологические этапы:
Существует два способа юстировки. Первый базируется на выравнивании сердцевин свариваемых оптических волокон по их геометрическим размерам (Profile Alignment System PAS) с помощью боковой подсветки концов свариваемых волокон.
Второй способ основан на выравнивании сердцевин оптических волокон по принципу минимизации потерь тестового светового сигнала, распространяющегося через место сварки.
Что касается активной юстировки, то известно три метода.
Первый заключается в использовании оптического излучателя и приемника на противоположных концах оптических волокон, подлежащих сварке. Информация от приемника передается персоналу, производящему сварку.
Второй метод сводится к использованию оптического передатчика на дальнем конце и детектора в точке соединения. Тестовый оптический сигнал выводится из соединяемого оптического волокна на небольшом (примерно 0,5 м) расстоянии от места сварки на изгибе и детектируется приемником, оборудованным измерителем оптической мощности.
Третий метод реализует LID (Local Injection and Detection) - процедуру юстировки, ограниченную исключительно местом соединения. В основу этого метода положено введение тестового оптического сигнала в сердцевину одного из соединяемых оптических волокон и поиск его в сердцевине второго соединяемого волокна путем изгиба.
Цикл сварки оптического волокна автоматического сварочного аппарата
Метод LID является наиболее эффективным, поскольку, в отличие от метода PAS, качество сварного соединения в большей мере зависит от сварочного аппарата, а не от индивидуального мастерства персонала. В современных сварочных аппаратах для управления процессами юстировки и сварки используются микропроцессоры, с помощью которых возможна оптимизация процесса сварки для получения минимальных (менее 0,1 дБ) потерь в местах соединений оптических волокон.
В процессе оплавления оптические волокна подаются одновременно для предотвращения укорачивания одного из них в месте сварки. Операции оплавления и сваривания, как правило, выполняются автоматически. В современных автоматических сварочных аппаратах для снятия механического напряжения в точке соединения оптических волокон предусмотрен режим прогревания места стыка по окончании процесса сварки. Такой режим называется "режимом релаксации".
Цикл плавления (длительность подачи и сила тока как для предварительного оплавления, так и для сварки и релаксации) для оптических волокон различных производителей и типов различны. Типичный цикл сварки приведен на рисунке.
Некоторые сварочные аппараты, кроме рассмотренных выше способов контроля качества места сварки, используют еще и тест на растяжение во избежание нарушения соединения во время манипуляций при выкладке сростков в кассету, а также в дальнейшем, в процессе эксплуатации. Соединенное оптическое волокно прочно закреплено в направляющих платформах (которые используются при юстировке). Под контролем микропроцессора по завершении этапа сварки эти направляющие платформы расходятся в противоположные стороны, образуя строго нормированное продольное усилие на растяжение, приложенное к месту стыка. Считается, что стык, прошедший такое тестирование, более надежен и выполнен более качественно. При невозможности получения стыка, способного пройти этот тест, но удовлетворяющего по параметрам передачи, эту опцию можно отключить.
Схема этапов сварки оптических волокон с минимизацией потерь и компенсацией смещения
Особо следует отметить сварку ленточных элементов (ленточных волоконно-оптических кабелей, отличающихся большим количеством оптических волокон). Эту операцию можно проводить, только применяя полностью автоматический сварочный аппарат, с помощью которого можно соединить до 12 оптических волокон приблизительно за 3 минуты, причем средний уровень потерь составит около 0,1-0,15 дБ. Однако для сваривания ленточных элементов необходим опытный, хорошо подготовленный персонал.
Во время сварки оптические волокна размещаются с соответствующим смещением от оси электродов, что обеспечивает равномерное нагревание. До начала процесса сваривания и по его завершении проверяется смещение оптических волокон, состояние торцевых поверхностей, а также деформация.
При сваривании ленточных элементов необходимо, кроме основных процессов, рассмотренных ранее, провести еще три технологические операции: устранить расхождения торцов соединяемых оптических волокон, плавление всех волокон выполнить одновременно с одинаковой температурой, в процессе предварительной оценки измерить уровень вносимых потерь рефлектометром. Если оказалось, что результаты не отвечают требованиям, процесс сварки повторяют.
Как показывает практика, предварительная оценка качества сварных соединений оптических волокон, базирующаяся на методе РАС, может содержать погрешность в диапазоне 5-1000%, поэтому окончательный вывод о качестве сварного соединения стоит делать после измерений рефлектометром.
По мере совершенствования качества сварочного оборудования и технологии сварки возрастают возможности получения сварных соединений оптических волокон высокого качества. Потери на сварных соединениях зависят от нескольких факторов: опыта персонала, геометрических погрешностей свариваемых оптических волокон, а также от материалов, из которых изготовлены волокна. Особенно часто проблемы возникают при сварке оптических волокон различных производителей.
Дело в том, что оптические волокна различных производителей изготавливаются с использованием принципиально отличающихся друг от друга технологических процессов. В результате материал оптических волокон - кварцевое стекло - не является идентичным в волокнах различного происхождения, несмотря на то, что параметры оптических волокон, указанные в спецификациях фирм-производителей, отличаются незначительно.
Факторами, определяющими свойства стекла, являются технология изготовления и качество материалов. Многочисленные исследования показали, что тысячные доли процента примесей в кварцевом стекле оказывают большее влияние, чем добавки в десятки процентов тех же компонентов к многокомпонентным стеклам.
Для сварки наибольшее влияние имеют следующие характеристики: плотность, коэффициент теплового расширения, показатель преломления, вязкость и механические характеристики. Эти параметры определяют оптические потери в местах сращивания и должны приниматься во внимание при использовании оптических волокон, произведенных по различным технологиям, в пределах одного элементарного кабельного участка ВОЛС. Особое внимание следует уделять идентификации оптических волокон в кабеле по типу, производителю и технологии изготовления.
Аппарат для сварки оптических волокон FSM 30S производства Fujikura
Более совершенные аппараты для сварки оптических волокон содержат программы, оптимизирующие процесс сварки для оптических волокон различных типов и различных производителей, однако на практике нередки ситуации, когда, используя стандартные программы, невозможно получить качественную сварку. В этих случаях необходимо самостоятельно корректировать параметры процесса (время и ток, подаваемый на электроды) для достижения оптимальных результатов.
Наиболее часто сварка оптических волокон различных производителей производится при оконцовке оптических волокон пигтейлами, а также при ремонтно-восстановительных работах, если эксплуатационный запас кабеля израсходован, и приобретение полностью идентичного кабеля невозможно (к примеру, по причине снятия с производства оптического волокна такого типа, который использовался первоначально) или экономически нецелесообразно.
Аппарат для сварки оптических волокон FSM.05SVHII производства Fujikura
В общем виде величина потерь в местах сварных соединений может быть представлена как суммарная величина: Dобщ = Dор + Dдм + Dую + Dнм + Dрпп, где: Dобщ - суммарная величина потерь в сварке; Dор - потери из-за осевого рассогласования модовых полей равного диаметра; Dдм - потери из-за разницы диаметров модовых полей; Dую - потери от погрешности угловой юстировки осей оптических волокон; Dнм - потери, обусловленные не-круглостью модовых полей; Dрпп - потери из-за разницы показателей преломления.
Знаки составляющих зависят от направления излучения.
При работе с современным сварочным оборудованием значение Dор стремится к нулю.
Изучение параметров и характеристик различных одномодовых оптических волокон показывает, что разброс величины диаметра модового поля для l = 1310.1330 нм или l = 1500...1550 нм может составлять от 10,5 до 21,7% (9,2 0,5 мкм). Такое рассогласование приводит к появлению потерь от 0,05 дБ до 0,25 дБ (с положительным знаком, когда излучение проходит из волокна с большим диаметром в волокно с меньшим диаметром, и отрицательным - в противоположном направлении). Эти потери будут иметь место, даже если аппарат расположит соосно два волокна с разными диаметрами сердцевин, у которых эксцентриситет пренебрежительно мал. Обычно разброс величины модового поля оптического волокна не превышает 14%, таким образом, величина этой составляющей - не более 0,1 дБ.
Составляющая Dую практически не компенсируется современным сварочным оборудованием. Установлено, что углы между осями сердцевин 0,5°; 1°; 1,5°; 2° вызывают приращение потерь соответственно в 0,08; 0,34; 0,77 и 1,5 дБ. Таким образом, благодаря надлежащей подготовке торцов соединяемых оптических волокон при скалывании можно уменьшить потери - необходимо обеспечить наименьший (не более 0,5°) угол между плоскостями торцов оптических волокон. В этом случае величина потерь не превысит 0,08 дБ.
Составляющая Dнм учитывает влияние некруглости модового поля.
По приблизительным оценкам она равна 0,05 дБ.
При соединении сваркой оптических волокон, имеющих неконцентричность модового поля, часто возникает нарушение юстировки сердцевин вследствие действия сил поверхностного натяжения. Это нарушение можно минимизировать следующими способами:
Такой режим получил название RTC (Real Time Control). В этом режиме после юстировки сердцевин свариваемых оптических волокон и проведения процедуры предварительного оплавления происходит компенсация поперечного смещения сердцевин в сторону, противоположную производной расхождения.
Сварка оптических волокон осуществляется посредством чередования коротких импульсов тока высокой интенсивности с импульсами тока низкой интенсивности (релаксационными импульсами). При этом после сваривания в электрическом поле импульса высокой интенсивности в поле релаксационного импульса происходит перемещение оптических волокон под действием поверхностного натяжения. Количество чередующихся импульсов зависит от смещения сердцевин оптических волокон, которое постоянно контролируется сварочным аппаратом; как правило, количество импульсов не превышает 2-3.
Весьма существенное влияние на общую величину потерь, если свариваются оптические волокна с разными показателями преломления (N) сердцевины, может оказать составляющая Dрпп. Эта составляющая учитывает потери мощности оптического сигнала в результате несоблюдения условия полного внутреннего отражения на месте стыка двух оптических волокон, у которых показатели преломления сердцевин имеют различия. В этом случае часть оптического сигнала проникает через оболочку волокна и рассеивается.Ситуация усугубляется многократным отражением луча от границы "сердцевина/оболочка", каждое из которых (отражений) служит источником потери мощности. На практике нередки случаи, когда даже многократные повторные сварки не позволяют добиться малой величины потерь.
Наибольший вклад в суммарную величину потерь вносят потери от погрешности угловой юстировки осей оптических волокон и потери из-за разницы показателей преломления.
Международная электротехническая комиссия предлагает в качестве типичной характеристики сварного соединения оптических волокон, полученного в полевых условиях, величину вносимых потерь, равную 0,2 дБ (IEC 1073-1). При современном развитии технологии сварки оптических волокон этот показатель вполне достижим даже тем персоналом, который не обладает значительным опытом в этой области.
