Сварка является наиболее распространенным способом соединения волокон. Сварка заключается в местном нагреве границы раздела двух состыкованных и предварительно отцентрированных торцов волокон, в результате которого волокна сплавляются друг с другом. В качестве источника энергии используется электрическая дуга, возникающая между электродами, пламя газовой горелки или лазер. Наибольшее распространение получила электрическая дуга, поскольку она позволяет довольно просто регулировать нагрев и работать в полевых условиях.
Сварное соединение наиболее широко используется для постоянного соединения одномодового волокна. Получение хорошего сварного сростка значительно проще сейчас, учитывая постоянный прогресс сварочного оборудования, процедур и практики сварки, в дополнение к постоянному улучшению контроля за геометрией волокна в процессе производства. В результате, типичный диапазон достигаемых вносимых потерь составляет 0,04 — 0,1 дБ как для одномодовых, так и многомодовых волокон.
Качество сварного соединения. Два параметра влияют на качество сварного соединения: вносимые потери сростка и прочность на растяжение.
Для многомодового волокна, существуют факторы, зависящие от самого волокна, они включают несовпадение диаметров волокон, несовпадение числовых апертур, несовпадение показателей преломления и ошибки концентричности сердцевины и оболочки. Концентричность показывает, насколько точно круг сердцевины вписывается в кольцо окружающей ее оболочки, т.е. какова величина смещения центров обоих окружностей. Этот тип потерь может быть уменьшен путем использования техники сращивания, дающей возможность выровнять положение сердцевины волокон в месте соединения.
Существуют также факторы, сопутствующие процессу сращивания. Они привносятся методами и процедурами сращивания. К ним относятся продольныe и угловые смещения, загрязнение и деформация сердечника. Их влияние может быть сведено до минимума за счет использования опытных техников, оборудования для автоматического выравнивания волокна и нескольких циклов плавления при работе на более современном оборудовании,
Подготовка оптического кабеля для сращивания включает следующие зачистку волокна, очистку поверхности и формирование концевого волокна.
Оболочку волокна можно удалить различными способами, например, химически путем, использованием оборудования термической или механической зачистки. Для типичного акрилатного покрытия волокна, компания Corning рекомендует механическую зачистку, как наиболее надежную, быструю, дешевую и создающую четко определенные условия терминирования оболочки.
Очистка поверхности — очень важный этап. Любые остатки акрилатного покрытия после зачистки оболочки должны быть удалены с поверхности зачищенного участка волокна. Необходимо избегать любых операций по ручной обработке указанного участка волокна до тех пор, пока процесс сварки не будет окончательно завершен. Это позволит минимизировать шанс загрязнения волокна пылью или жирными пятнами с рук, которые могут вызвать дополнительные потери сростка и уменьшение его прочности на растяжение.
Один из основных моментов, влияющих на качество сростка при одном цикле плавления, является концевой угол. Поэтому надлежащее формирование концевого угла является одним из основных шагов в получении приемлемого сростка. Требования к концевому углу волокна могут меняться от пользователя к пользователю и от типа используемого скалывателя. В общем случае, однако, концевые углы волокна меньшие, чем два градуса, обычно приводят к приемлемым сварным сросткам. Можно ожидать, что хорошие типы скалывателей позволяют получить конечные углы волокна величиной в половину градуса.
Выравнивание волокна. Существуют блоки ручного и автоматического выравнивания волокна при сварке. Сначала оператор помещает очищенные и сколотые волокна в блоки выравнивания и/или другие механизмы фиксации волокна в устройстве сращивания. После этого волокна выравниваются визуально путем перемещения их в направлении координат X-Y. Визуальное выравнивание требует поддержания минимального возможного зазора между волокнами, чтобы уменьшить видимые ошибки, которые возможны при ручном выравнивании краев волокон, проводимом при увеличении.
Существует пять возможных альтернатив для окончательного выравнивания сердцевины волокон:
1. Мониторинг мощности (светового потока), используя источник и приемник света.
2. Использование для такого мониторинга оптического рефлектометра (OTDR).
3. Использование техники локального ввода и обнаружения (LID) (светового излучения).
4. Использование техники выравнивания профилей.
5. Пассивное выравнивание V-образных канавок.
Техника мониторинга мощности потока основана на оптимальном выравнивании волокон по уровню мощности, переданной через точку сращивания. Источник света при этом подсоединяется к входному концу одного из волокон, подлежащему сварке. Световой сигнал проходит через контакт волокон и его уровень считывается на измерителе мощности, подсоединенном к выходному концу. Выравнивание достигается перемещением волокон в направлении X-Y до тех пор, пока не будет достигнут максимум считываемой мощности. При этом способе выравнивания требуются два человека. Один — считывает показания приемника, тогда как другой (на некотором удалении от него) — оперирует с волокнами, подлежащими сварке. Этот метод дает возможность улучшить визуальное выравнивание, так как позволяет оптимально выровнять сердцевины волокон, а не оболочки.
В методе, описанном выше, вместо измерителя мощности может быть использован оптический рефлектометр (OTDR). Следует заметить, что выравнивание с использованием OTDR, зависит от возможности обеспечить в реальном времени отображение уровня мощности для осуществления ее оптимизации.
Многие устройства сращивания используют систему локального ввода и обнаружения светового излучения (LID).Это еще одна система выравнивания по уровню мощности, но сформированная на месте сварки. Она исключает необходимость удаленного (на определенное расстояние) мониторинга уровня мощности. В этой системе волокна, расположенные по обе стороны от точки сварки, загибаются вокруг цилиндрических оправок, которые достаточно малы, чтобы позволить осуществить ввод (в точка входа) и вывод (в точке выхода) светового излучения через оболочку волокон.
Системы выравнивания профиля формируют изображение места сварки, чтобы дать возможность техникам надлежащим образом выровнять два волокна для сварки. Коллимированный пучок направляется под прямым углом к оси свариваемых волокон в место сварки. Это создает образ волокна, которое должно быть выровнено. Один из специальных типов устройств выравнивания создает сгенерированный компьютером образ центральной линии сердечников, к которому компьютер иприводит два волокна перед тем, как осуществить сварку.
Другая система выравнивания профиля выполняет процедуру выравнивания, используя профиль оболочки волокна. Нужно иметь ввиду, что качество выравнивания при этом во многом зависит от концентричности системы сердечник-оболочка. При использовании пассивного выравнивания V-образных канавок само выравнивание волокна является результатом точного соответствия V-образных канавок, диаметра оболочки волокна и концентричности системы сердцевина-оболочка.
Процедура сварки. Процесс сварки использует электрическую дугу для разогрева и сваривания. Некоторые техники используют один или несколько коротких включений тока дуги для того, чтобы удалить любые возможные загрязнения из волокна в месте сварки перед началом сварки.
Следующим шагом является предварительная сварка. Этот процесс состоит в нагревании волокна для размягчения его соединяемых концов. Предварительная сварка осуществляется для того, чтобы концы волокна были при температуре, оптимальной в процессе последнего шага сварки, что дает возможность материалу волокон течь навстречу друг друга вплоть до момента физического контакта. Если температура на стадии предварительной сварки слишком велика, то может возникнуть излишняя деформация концов волокон, что в свою очередь приведет к изменению геометрии стекла. Если же эта температура слишком мала, то может возникнуть механическая деформация концов волокон. В этом случае может произойти выпучивание волокна в тот момент, когда на последней стадии сварки на концы волокон будут действовать силы, стягивающие их.
Оптимальная подготовка к сращиванию включает установку тока дуги и ее длительности, установку длины зазора и перекрытия шагов предварительной и окончательной сварки. Эти установки должны быть определены (экспериментально) на основании результатов последовательности сварок.
Качество сварки включает два основных параметра, как это отмечалось выше, а именно: прочность волокна на растяжение и потери, вносимые в месте сварки. Некоторые устройства сращивания имеют возможность осуществлять тесты на растяжение. Опытные техники знают, как осуществить такое испытание вручную, чтобы простыми средствами оценить прочна на растяжение.
Контрольные вопросы:
1. Что такое соединение ОВ и какие предъявляются требования к ним?
2. Объясните последовательность соединения ОВ.
3. Объясните подходы в процессе подготовки волокна и оптического разъема к сборке.
4. Что относится к характеристикам сростков и соединений?
5. Объяснить внутренние потери относительно многомодовых ОВ.
6. Объяснить внутренние потери относительно одномодовых ОВ.
7. Что относится к внешним потерям? Из-за чего они возникают?
8. Что такое Френелевское отражение?
9. Для чего предназначен и из чего состоит оптический разъем?
10.Типы оптических разъемов.
11.Что означает механическое соединение?
12.Какие существуют технологии при механическом сращивании ОВ?
13.Как классифицируются сварочные аппараты?
14.Какие методы юстировки волокон по внешней оболочек?
15.Какие методы юстировки волокон по сердцевине?
16.Что означает сварное соединение?
17.Для чего производят выравнивание волокон?
18.Как происходит процедура сварки?
Литература
1. Виноградов В.В., Котов В.К., Нуприк В.Н. Волоконно-оптические линии связи. М: ИПК Желдориздат, 2002, 278с.
2. Портнов Э.Л. Оптические кабели связи и пассивные компоненты волоконно-оптических линий связи. М.: Горячая линия – Телеком, 2007, 464 с.
3. Фриман Р. Волоконно-оптические линии связи. М.: Техносфера, 2003, 440с.
4. Липская М.А. Волоконно-оптические линии связи. Алматы, КазАТК, 2010, 173с.