Łączenie włókien światłowodowych – spawanie światłowodów

Łączenie włókien
światłowodowych
– spawanie światłowodów
•Złączki
0,2 – 1 dB
•Spawy mechaniczne 0,05 – 0,2 dB
•Spawanie
0,05 – 0,1 dB
„Spawy mechaniczne”
1. Elastomeric Lab Splice.
Umożliwia setki połączeń
2. 3M Fibrlok. il <0.2dB, fr >7.75 lbs. orl -35dB. V-groove
- bez żywicy epoks. Stabilność termiczna -400C to 800C.
3. AMP Corelink. sl 0.15dB dla
włókna 125um
4. Siemon Ultra Splice. sl -0.2dB, fr > 2 lbs
5. Corning Cable System
CAM Splice. 0.5dB
il - insertion loss, fr - fiber retention, orl - optical return loss,
Spawanie światłowodów
Spawanie – podstawowa metoda trwałego łączenia
światłowodów.
Jakość spawów określają:
• tłumienność własna
• wytrzymałość mechaniczna na rozciąganie
Tłumienność spawu
Tłumienność spawu określona jest przez czynniki
• wewnętrzne (określone jakością światłowodu, związane z
wytwórcą światłowodu, użytkownik nie ma wpływu na
powstałe straty)
• zewnętrzne (związane z jakością procesu spawania, mogą
być minimalizowane przez dobór sprzętu i kontrolę
procesu)
Wewnętrzne czynniki tłumienia – gradientowe
włókna wielomodowe
1. niedopasowanie średnicy rdzenia
2. niedopasowanie apertury numerycznej
3. niedopasowanie profilu współczynnika załamania
4. błędy koncentryczności rdzenia względem płaszcza (błąd
koncentryczności może być kompensowany w spawarce
zgrywającej światłowody względem średnicy rdzenia)
Tłumienie światłowodów MM jest kierunkowe względem
powyższych czynników, to znaczy tłumienie wystąpi tylko
przy transmisji z włókna o większej średnicy rdzenia do
mniejszej, większej NA do mniejszej.
Czynniki są addytywne
Wpływ niedopasowania NA i średnicy rdzeni na
tłumienie spawu włókien MM (teoria)
Numerical Aperture Difference
0
,050 ,010 ,015 ,020 ,025 ,030 ,035
Intrinsic Splice Loss (dB)
0,40
Core
Diameter
0,30
Numerical
Aperture
0,20
0,10
0,00
0
1
2
3
4
5
6
Core Diameter Difference (µm)
7
8
Wewnętrzne czynniki tłumienia – standardowe
włókna jednomodowe
Podstawową przyczyną tłumienia jest niedopasowanie
średnicy pola modów (MFD) łączonych włókien.
Straty są bezkierunkowe (takie same dla obu kierunków
propagacji)
Dla włókien spełniających wymogi normy straty wywołane
niedopasowaniem MFD są niewielkie (< 0,04dB)
Wpływ niedopasowania MFD na tłumienie spawu
włókien SM (teoria)
0,10
Attenuation (dB)
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
0,80
0,86
0,92
0,98
1,04
MFD (Ratio)
1,10
1,16
Zewnętrzne składniki tłumienia złącza
Przemieszczenie wzdłużne
Przemieszczenie poprzeczne
Nieprostopadłe końcówki włókien
Niedopasowanie kątowe
Niedoskonałości powierzchni
• Przemieszczenie wzdłużne. Separacja prowadzi do zmniejszenie natężenia
wiązki wprowadzanej do drugiego światłowodu; w szczelinie tworzą się
pasożytnicze rezonatory.
• Przemieszczenie poprzeczne. 1 µm → 0,2 dB, 2,5 µm → 1 dB
• Nie-prostopadłe końcówki włókien. 1 deg → 0,2 dB, 2 deg → 1 dB
• Niedopasowanie kątowe
• Niedoskonałości powierzchni czołowych (porowatość, nierównomierność)
Spawanie w łuku elektrycznym – schemat
Elektrody
Włókno w pokryciu pierwotnym Zaciski
mocujące
Pokrycie pierwotne usunięte,
odsłonięty płaszcz
Włókno w pokryciu pierwotnym
Bloki
podstawy
1.
Z każdego włókna usuwa się pokrycie pierwotne, następnie włókna są cięte pod
kątem prostym
2.
Końce włókien są umieszczane w odległości kilku mm od siebie i mocowane za
pomocą zacisków
3.
Włókna są pozycjonowane automatycznie i zbliżane do siebie na odległość ~µm
4.
Po wyjustowaniu włókien włączany jest łuk elektryczny, a włókna zbliżane aż do
wzajemnego kontaktu. Ciepło łuku topi szkło i tworzy się stałe połączenia
światłowodów.
Spawanie w łuku elektrycznym - etapy
uchwyty pozycjonujące
1
justowanie światłowodów
2
wygrzewanie wstępne
3
4
spawanie właściwe
odprężanie spawu
Uzyskanie poprawnego spawu wymaga:
• Precyzyjnego wyjustowania włókien
• Dokładnej kontroli prądu łuku
Procedura spawania kabli światłowodowych
1. Identyfikację światłowodów w kablu i wybór łączonych par
2. Zdjęcie pokryć ochronnych z kabla (przygotowanie i rozwinięcie
odpowiednich długości kabla i swobodnych światłowodów; przygotowanie
zapasu światłowodu na wypadek konieczności poprawienia spawu)
3. Zdjęcie pokryć ochronnych ze światłowodów (metoda mechaniczna, termiczna
lub chemiczna; mechanicznie nie więcej niż 5cm jednorazowo)
3. Przygotowanie powierzchni czołowych światłowodów (maksymalne
dopuszczalne pochylenie czoła światłowodu 2°, dobrej jakości obcinaczki 0,5°)
4. Justowanie i połączenie światłowodów
5. Zabezpieczenie wykonanego złącza
Zgrywanie światłowodów
•
Metoda ręczna – po zbliżeniu światłowodów ustalenie położenia
światłowodów w kierunku poprzecznym
•
Metody automatyczne:
1.
kontrola mocy transmitowanej z wykorzystaniem źródła i detektora
(niezbędny dostęp do obu końców światłowodu)
2.
pomiar za pomocą reflektometru optycznego
3.
pomiar metodą LID (Local injection and detection)
4.
dopasowanie na podstawie obserwacji profilu (rdzenia lub płaszcza,
obraz wideo lub „gorący” obraz )
5.
dopasowanie pasywne wg. położenia V-rowków (dokładność zależy od
koncentryczności rdzenia i płaszcza)
Zgrywanie światłowodów – metoda LID
Światło wprowadzane
do światłowodu
Zaciski mocujące
Włókno
Fotodioda
PIN
Laser
Podstawa
stała
Podstawa
przesuwana
• Usuwamy pokrycie pierwotne na długości kilku cm.
• Po zamocowaniu w spawarce włókno jest zginane na walcach.
• Światło lasera (lub diody LED) jest ogniskowane na zgięciu. Część
energii ulega konwersji w mody prowadzone.
• Na drugim walcu następuje wypromieniowanie części energii.
• Jedno z włókien jest przemieszczane tak, aby moc rejestrowana
przez detektor była największa.
Zgrywanie światłowodów – obserwacja
mikroskopowa profilu rdzenia
Rejestrowany obraz
mikroskopowy
Schemat urządzenia
do zgrywania światłowodów
Bieg promieni w przekroju poprzecznym
światłowodu jednomodowego
Ray-tracing
Zarejestrowany obraz
mikroskopowy
Spawanie w łuku elektrycznym
1.
Czyszczenie włókien – jeden lub kilka impulsów prądowych w celu usunięcia
zanieczyszczeń, głównie resztek pokrycia pierwotnego
2.
Wygrzewanie wstępne – końce włókien zmiękczane przed właściwym
spawaniem, ustalenie temperatury dla procesu spawania właściwego. zbyt
wysoka temperatura powoduje zmianę geometrii i „płynięcie” światłowodu.
Zbyt niska temperatura powoduje spęcznianie światłowodu w obszarze
spawu.
3.
Spawanie właściwe – parametry: prąd wyładowania, czas, szczelina (gap),
przekrycie (overlap)
Po zakończeniu spawania spaw należy natychmiast zabezpieczyć
Błędy spawania
1.
Bąble w obszarze spawu. Przyczyna: zabrudzenia. Rozwiązanie: oczyścić
spaw, skrócić procedurę przygotowania spawu
2.
Uskoki. Przyczyna: niedopasowanie poprzeczne światłowodów, zabrudzone
V-rowki.
3.
Spęcznienie. Przyczyna: zbyt silny docisk wstępny
4.
Szczeliny, niekompletne spawy. Przyczyna: niewłaściwe cięcie, pochylone
powierzchnie czołowe światłowodu.
5.
Przewężenia. Przyczyna: zbyt słaby (brak) docisku wstępnego, zbyt wysoka
temperatura spawania.
Optymalizacja procesu spawania
Parametry procesu spawania wpływające na jakość spawu
•
Temperatura spawania (określana np. przez prąd łuku)
•
Czas spawania
Procesy fizyczne występujące w trakcie spawania
•
Przepływ materiału pomiędzy łączonymi włóknami
•
Dyfuzja domieszki (zmiana profilu współczynnika załamania )
Optymalizacja procesu spawania
– czas i temperatura
Pierwsza faza spawania:
mieszanie się materiału
Druga faza spawania: dyfuzja domieszki
deformuje profil załamania rdzenia