7.2. Сварные соединения оптических волокон
7.2.1. Область применения сварных соединений
Преимуществами разъемных соединений являются простота и оперативность подключения, возможность реконфигурации физической топологии сети, которая обеспечивает гибкость, универсальность и возможность развития волоконно-оптической сети. Эти качества являются очень ценными для сложных локальных сетей, которые имеют небольшую протяженность.
Для построения протяженных ВОЛС, которые используются в качестве соединительных линий между узлами сети, более важными являются такие параметры соединения, как вносимые и возвратные потери, надежность, срок службы, стоимость в расчете на одно соединение. В настоящее время преимущества сварных соединений, выполненных на современных сварочных аппаратах с соблюдением технологических норм, по перечисленным параметрам перед другими методами соединения неоспоримы. Типовые вносимые потери в сварных соединениях составляют от 0.01 до 0.05 дБ [5], а возвратные потери превышают 70 дБ [1]. Отметим, что для получения таких результатов необходимо иметь также высокое качество и идентичность свариваемых ОВ.
Также как и для разъемных соединений, в сварных соединениях потери можно разделить на внутренние и внешние. Внутренние потери от различия числовых апертур, диаметров сердцевин для МОВ и радиусов модовых полей для ООВ могут быть оценены также как для разъемных соединений. Внешние потери возникают из-за несовершенства процесса сварки. Они включают остаточное радиальное и угловое смещение, загрязнение и деформацию сердцевин сваренных ОВ. Влияние этих факторов зависит от качества сварочного оборудования и индивидуального мастерства сварщика.
7.2.2. Технология сварки и сварочные аппараты
Процесс сварки состоит из следующих этапов [1,5]:
подготовки волокон - удаления оболочки, очистки поверхности на расстоянии 10-15 мм и подготовки торцов свариваемых ОВ с помощью специального инструмента с алмазной режущей кромкой, который осуществляет скол ОВ перпендикулярно его оси;
юстировки свариваемых ОВ в сварочном аппарате;
сварки ОВ;
оценки потерь в сварном соединении;
защиты оголенного участка сваренных ОВ от механических влияний и воздействий окружающей среды посредством герметичной оболочки - термоусадочной гильзы.
Сварка волокон производится с помощью специального устройства – сварочного аппарата. В зависимости от типа свариваемых ОВ все сварочные аппараты делятся на специализированные, предназначенные для сварки ОВ определенного типа, и универсальные. По числу одновременно свариваемых ОВ аппараты делятся на одноволоконные и многоволоконные, позволяющие сваривать помимо отдельных ОВ оптоволоконные ленты.
По принципу действия сварочные аппараты можно разделить на аппараты с ручным управлением, полуавтоматические и автоматические.
Сварка ОВ осуществляется в поле электрической дуги, возникающей между двумя электродами. Дуговой разряд обеспечивает нагрев концов свариваемых ОВ до температуры плавления кварца (1600-2000С).
Важнейшим этапом сварки ОВ является их юстировка. Юстировка волокон в сварочном аппарате может осуществляться вручную или автоматически. На рис. 7.21 представлена классификация систем юстировки сварочных аппаратов.
Рис. 7.21. Классификация систем юстировки
Простейший способ юстировки волокон – юстировка по V-образным канавкам (рис. 7.22). Юстировочное устройство представляет собой единую деталь с двумя расположенными строго напротив друг друга V-образными калиброванными канавками. Свариваемые ОВ прижимаются вдоль канавок, сводятся и свариваются с помощью электрической дуги. Движение осуществляется только по оси Z (вдоль канавок). Оценка качества юстировки осуществляется только по внешним контурам волокна (по оболочке).
|
|
|
Рис. 7.22. Юстировка волокон по V-образным канавкам |
Точность юстировки в этом случае зависит от качества изготовления канавок и идентичности профиля свариваемых ОВ. Используется такая система в основном для внутризоновых сетей с многомодовым волокном, но может использоваться и для одномодовых волокон. В последнем случае юстировка осуществляется при погружении волокон в иммерсионную жидкость, что позволяет видеть в микроскоп тени сердцевин волокон.
Потери в сварке при юстировке вручную обычно составляют 0.1 дБ для ООВ и 0.05 для МОВ. Полуавтоматические сварочные аппараты, которые осуществляют сведение волокон и термический процесс по предварительно заданной программе, определяемой типом свариваемых ОВ, позволяют существенно снизить потери до 0.05 дБ для ОМ ОВ и 0.03 для ММ ОВ.
В более современных сварочных аппаратах как юстировка, так и сварка осуществляются автоматически. Это позволяет достичь потерь в сварке 0.02 дБ для ОМ ОВ и 0.01 для ММ ОВ.
Одним из методов автоматического контроля качества юстировки является контроль с помощью системы PAS (Profile Alignment System). При использовании данной системы (рис. 7.23) также используются калиброванные V‑образные канавки, но они не зависимы друг от друга и могут перемещаться как по оси Z так и по осям X и Y (одна канавка по оси X, другая - по оси Y).
Собственно центрирование свариваемых ОВ осуществляется по изображению в параллельном пучке света. При таком методе юстировки волокна освещаются сбоку параллельным пучком света так, что оболочка и сердцевина фокусируют свет, действуя как цилиндрические линзы. При этом формируется изображение, на котором видны границы сердцевины и оболочки волокна, что позволяет определить эксцентриситет в каждом из волокон. На противоположной от стыка стороне находится матрица ПЗС фотоприемников. Полученное изображение анализируется. Такая система особенно распространена в аппаратах японских производителей, где она используется и для грубой юстировки, и для тонкой подстройки волокон.
Применение в сварочных аппаратах ПЗС фотоприемников (системы PAS или L-PAS) позволяет перед началом сварки визуально контролировать результат центрирования, тип сердцевины, качество торцов и микрозагрязнения свариваемых оптических волокон.
|
|
|
|
Рис. 7.23. Юстировка волокон методом PAS-системы | |
При методе L-PAS-системы, которая используется многими японскими фирмами, точная оптика определяет границу между оболочкой и сердечником и по ней выравнивает волокна. Волокно является частью оптической системы, фокусирующие видеокамеры находятся посредине волокна и за счет преломления света при прохождении через волокно образуется такое изображение (тень от оболочки и серцевины).т.е. Хорошо видны границы как оболочки так и сердечника и выравнивание ведется по границам сердечника
Рис. 7.24. L-PAS-система
В сварочных аппаратах европейских производителей PAS-система используется только для грубой настройки. Тонкая юстировка осуществляется системами LID (Siemens) или RTC (Ericsson).
Центрирование по методу LID (Light Injection and Detection) основано на возможности ввода и вывода оптического излучения в местах изгиба ОВ (рис. 7.25). При этом необходимая форма изгиба ОВ обеспечивается специальными оправками, которые кроме того прижимают ОВ в местах изгибов к источнику и приемнику излучения, проходящего через стыкуемые ОВ. Контроль качества юстировки осуществляется по максимуму мощности излучения, передаваемого через сварное соединение. Поскольку метод не предусматривает визуального контроля места сварки система LID может использоваться совместно с системой L-PAS.
Рис. 7.25. Юстировка волокон методом LID-системы
Автоматические сварочные аппараты позволяют оценивать качество сварного соединения по окончании сварки. Сварочные аппараты, использующие систему PAS, представляют в цифровом виде информацию о значении угла скола и сдвиге осей оболочек (сердцевины) волокон до и после сварки, а также расчетное значение потерь в месте сварки. Рассчитываются потери, обусловленные осевыми смещениями сердцевин волокон друг относительно друга. Потери, обусловленные не идентичностью параметров свариваемых волокон, в расчете не учитываются. Кроме того, в расчете присутствуют трудно учитываемые погрешности, связанные с согласованием геометрических параметров системы наблюдения и оптического волокна.
Сварочные аппараты, использующие систему LID, позволяют непосредственно измерять потери в сварном соединении по результатам измерения мощности излучения падающего на приемник до и после сварки. Однако и в этом случае результат измерения требует корректировки с учетом интерференционных эффектов на конечных поверхностях волокон.
Поэтому рекомендуется дополнительно контролировать потери в сварке оптическим рефлектометром.
Для минимизации потерь в сварном соединении необходимо управлять параметрами дугового разряда, которые подвержены влиянию внешних условий – температуры, давления, влажности. В некоторых сварочных аппаратах предусматривается автоматическая компенсация интенсивности разряда в зависимости от перечисленных факторов. Наиболее современный способ управления дугой обеспечивает система RTC (Real Time Control).
Система RTC (Real Time Control) непосредственно управляет процессом сварки волокон, регулируя параметры дугового разряда, а также позволяет с высокой точностью выравнивать волокна по их тепловым изображениям.
Система формирует серию импульсов тока сварки возрастающей мощности (рис. 7.26), причем, последовательность импульсов начинается с короткого импульса, очищающего волокно, а затем следует более мощный импульс, разогревающий волокно до такой степени, что сквозь его оболочку становится видна сердцевина. Прибор анализирует тепловое изображение раскаленного волокна, чтобы определить смещение сердцевин,и производит их совмещение с учетом влияния сил поверхностного натяжения.
При сварке волокон, особенно одномодовых, возникает проблема, связанная с тем, что силы поверхностного натяжения стремятся совместить оси оболочек, и, следовательно, развести (при наличии в волокнах эксцентриситета сердцевина/оболочка) оси сердцевин волокон. Поэтому в современных аппаратах предусмотрена коррекция эксцентриситета. Оси волокон предварительно разводятся на такое расстояние, на которое (согласно компьютерному расчету) надо развести оси сердцевины волокон так, чтобы силы поверхностного натяжения совместили их при сварке.
|
а |
|
б |
|
Рис. 7.26. Система RTC: а) формирование импульсов тока сварки; б) тепловые изображения волокон.
Затем волокна сращиваются. Если смещение сердцевины лежит в заданных пределах, а диаметры модовых пятен равны, то на этом сварка завершается. В противном случае волокна вновь разогреваются, и вносится очередная поправка. Таким образом, волокна центрируются не только перед сваркой, но и в процессе сварки.
Достижение высокого качества сварки, естественно, невозможно без высокоточного позиционирования ОВ. Тонкая юстировка производится высокоточными пъезокерамическими двигателями, позволяющими достичь максимального люфта системы юстировки не более 1 мкм.
В сварочных аппаратах, как правило, предусматривается возможность тестирование сварки на разрыв с усилием 2 или 4.5 Н. С целью защиты оголенного участка ОВ оно помещается в термоусадочную гильзу, армированную стальным стержнем. Термоусадка производится в специальной печи сварочного аппарата.