 |
Изучение принципов сварного соединения оптических волокон
|
|
|
|
Цель работы. Изучение принципа выполнения сварного соединения оптических волокон.
Теоретическая часть. В процессе проведения лабораторной работы требуется изучить принцип выполнения сварного соединения ОВ и получить навыки работы со сварочным аппаратом.
Строительная длина ВОК на практике устанавливается исходя из ряда факторов, зависит, в частности, от возможности использования специализированной техники, особенно при манипуляции строительными длинами с большой удельной массой в случае глубоководных морских кабелей и кабелей для прибрежной зоны. Такие кабели даже выкладываются в форме "8", а не как обычно – на кабельные барабаны. Всё это приводит к необходимости сращивания ВОК и ОВ, а значит – применения сварки. Безусловно, механические соединители являются более дешёвым способом решения задачи, особенно учитывая то, что применение аппарата для сварки сопряжено с необходимостью использования помещения с заданным температурным диапазоном, влажностью, давлением, вибрационными параметрами, электропитающими системами переменного тока с жестко регламентированными параметрами. При стоимости комплекта оборудования для сварки в десятки тысяч долларов США, амортизационные отчисления, техническое обслуживание и ремонт также являются довольно дорогостоящими. Высокие требования предъявляются также и к персоналу, производящему работы по сварке ОВ. Часто этими же лицами производится наладка и обслуживание аппаратов для сварки ОВ – очистка направляющих поверхностей и зажимов, замена электродов и т.д. И тем не менее, сращивание ОВ с помощью сварки является сегодня наиболее приемлемым методом получения неразъемных соединений. В настоящее время этот метод позволяет получать качественные соединения с показателями вносимых потерь соединения порядка 0,1...0,15 дБ, что обуславливает его применение на высокоскоростных линиях связи, где этот показатель входит в приоритетные – магистральных и зоновых.
|
|
|
Сваривание ОВ предусматривает оплавление концов световодов путем помещения их в поле мощного источника тепловой энергии – в поле электрического разряда, пламя газовой горелки, зону 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 отнести возможность получения соединений ОВ, 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 ОВ.
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 ОВ можно классифицировать:
· по способу юстировки свариваемых концов ОВ (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 ОВ, которые могут быть сварены одновременно (одно- и многоволоконные).
|
|
|
Очевидно, что при любом методе сварки основной задачей является юстировка торцов световодов. Сегодня существует два основных способа юстировки. Первый базируется на выравнивании сердцевин свариваемых ОВ по принципу минимизации потерь тестового светового сигнала, распространяющегося через место сварки. Используются излучатель и приемник на противоположных концах свариваемых ОВ, а информация от приемника передается персоналу, производящему сварку. Может использоваться оптический передатчик на дальнем конце и детектор в точке соединения. Тестовый оптический сигнал выводится из соединяемого ОВ на небольшом (примерно 0,5 м) расстоянии от места сварки на изгибе волокна и детектируется приемником, оборудованным измерителем оптической мощности. В рамках этого же метода (методика Local Injection and Detection – LID) возможно введение тестового оптического сигнала в сердцевину одного из соединяемых ОВ и поиск его в сердцевине второго соединяемого волокна путем изгиба, что обеспечивает локализацию сварочных и тестовых работ. Второй способ основан на выравнивании сердцевин волокон по их геометрическим размерам (Profile Alignment System – PAS) с помощью боковой подсветки концов свариваемых волокон.
Методика LID является наиболее эффективной, поскольку, в отличие от метода PAS, качество сварного соединения в большей мере зависит от сварочного аппарата, а не от индивидуального мастерства персонала. Современные сварочные аппараты автоматически оптимизируют процессы сварки, что минимизирует потери (£ 0,1 дБ) в местах соединений.
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 рис. 4.
|
|
|
Рис. 4. Цикл сварки ОВ автоматическим сварочным аппаратом
Некоторые сварочные аппараты дополнительно используют еще и тест на растяжение во избежание нарушения соединений во время манипуляций при выкладке сростков в кассету или муфту, а также в процессе эксплуатации. Соединенное ОВ 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. При невозможности получения стыка, способного пройти этот тест, но удовлетворяющего по параметрам передачи, эту опцию можно отключить.
Некоторые аппараты обеспечивают сварку ленточных элементов (ленточных ВОК, отличающихся большим количеством оптических волокон), рис. 5, не требуя разборки кабеля на составляющие. Эту операцию можно проводить, только применяя полностью автоматический сварочный аппарат, с помощью которого можно соединить до 12 ОВ приблизительно за 3 минуты, причем средний уровень потерь на каждом стыке составит около 0,1...0,15 дБ. Во время сварки волокна размещаются с соответствующим смещением от оси электродов, что обеспечивает равномерное нагревание в электрическом поле. До начала процесса сваривания и по его завершении проверяется смещение ОВ, состояние торцевых поверхностей, а также деформация.
 |
При сваривании ленточных элементов дополнительно необходимо: устранить расхождения торцов соединяемых ОВ, 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 методам РАС обладает погрешностью в диапазоне 5...100 %, поэтому окончательный вывод о качестве сварного соединения стоит делать после измерений рефлектометром.
|
|
|
Потери на сварных соединениях зависят от: опыта персонала, геометрических погрешностей свариваемых ОВ, а также от материалов, из которых изготовлены волокна. Часто проблемы при сварке ОВ связаны с различием параметров материала волокон, изготовленных с использованием отличающихся друг от друга технологических процессов (ОВ различных производителей). Факторами, определяющими свойства стекла, являются технология изготовления и качество материалов. Многочисленные исследования показали, что тысячные доли процента примесей в однокомпонентном кварцевом стекле оказывают большее влияние, чем добавки в десятки процентов тех же примесей к многокомпонентным стеклам. После нагревания и соединения отличающихся волокон материал в месте стыка не является идентичным материалу не затронутого волокна несмотря на то, что параметры ОВ, указанные в спецификациях фирм-производителей, отличаются незначительно.
Наибольшее влияние для сварки 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 ОВ, произведенных по различным технологиям, в пределах одного элементарного кабельного участка ВОЛП. Следовательно, при проведении сварочных работ внимание следует уделять идентификации ОВ в кабеле по: типу, производителю и технологии изготовления. Ряд современных аппаратов содержит программы, оптимизирующие процесс сварки для ОВ 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 ОВ 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 ОВ такого типа, который использовался первоначально) или экономически нецелесообразно.
В общем виде суммарная величина потерь в местах сварных соединений (aобщ) может быть представлена как:
aобщ = aор + aдм + aую + aнм + aрпп, (1)
где: aор – потери из-за осевого рассогласования модовых полей равного диаметра; aдм – потери из-за разницы диаметров модовых полей; aую – потери от погрешности угловой юстировки осей ОВ; aнм – потери, обусловленные некруглостью модовых полей; и aрпп – потери из-за разницы показателей преломления. Знаки составляющих зависят от направления излучения.
|
|
|
При работе с современным сварочным оборудованием значение aор стремится к нулю. Изучение параметров различных одномодовых ОВ показывает, что разброс величины диаметра модового поля для l = 1310...1330 нм и l = 1500...1550 нм составляет от 10,5 до 21,7%. 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 пренебрежимо мал. Обычно разброс величины модового поля оптического волокна составляет 14% и величину потерь aдм можно принять ³ 0,1 дБ.
Составляющая aую 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 ОВ при скалывании можно уменьшить потери – необходимо обеспечить наименьший (не более 0,5°) угол между плоскостями торцов оптических волокон. В этом случае величина потерь aую не превысит 0,08 дБ.
Составляющая aнм учитывает влияние некруглости модового поля. По приблизительным оценкам она равна 0,05 дБ.
При соединении сваркой ОВ, имеющих неконцентричность модового поля, часто возникает нарушение юстировки сердцевин вследствие действия сил поверхностного натяжения. Это нарушение можно минимизировать следующими способами:
· сокращение времени плавления за счет неполного сваривания волокон или же сокращение длины свободного конца волокна в сварочном устройстве, чтобы торцы волокон в процессе сварки могли перемещаться на малое расстояние;
· использование компенсационных программ, обеспечивающих управление смещением сердцевины методом умышленного смещения осей.
Последний режим получил название RTC (Real Time Control). В этом режиме после юстировки сердцевин свариваемых ОВ и проведения процедуры предварительного оплавления происходит компенсация поперечного смещения сердцевин в сторону, противоположную производной расхождения, рис. 5.
|
|
|
|
|
|
|
Количество чередующихся импульсов зависит от смещения сердцевин ОВ, которое постоянно контролируется сварочным аппаратом; как правило, количество импульсов не превышает 2...3.
Существенное влияние на общую величину потерь в случае сварки ОВ с разными показателями преломления (n) сердцевины оказывает составляющая aрпп. Эта составляющая учитывает потери, связанные с несоблюдением условий полного внутреннего отражения на месте стыка. 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 потерь мощности. На практике нередки случаи, когда даже многократные повторные сварки не позволяют добиться малой величины потерьaрпп.
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 ОВ, полученного в полевых условиях, величину вносимых потерь, равную 0,2 дБ (IEC 1073-1). При современном развитии технологии сварки ОВ этот показатель вполне достижим даже тем персоналом, который не обладает значительным опытом в этой области. На рис. 5 представлена иллюстрация современных полуавтоматических сварочных аппаратов.
|
|
Рис. 5. Иллюстрация внешнего вида современных сварочных аппаратов производства Fujikura: а – аппарат FSM 30S; б – аппарат FSM.05SVHII
|
|
|
