Сварные соединения волокон

На одну строительную длину оптического кабеля приходится примерно одно сварное соединение волокон и таких соединений на всем регенерационном участке линии передачи, учитывая большое число волокон в кабеле, может быть несколько сотен. Поэтому к качеству соединений волокон в линии передачи предъявляются очень высокие требования, так как от них зависит не только величина полных потерь в линии передачи, но и срок службы этой линии. Например, максимальные потери в соединении одномодовых волокон, по спецификациям РОСТЕЛКОМА, не должны превышать 0.05 дБ (на λ = 1550 нм).

Наиболее высокое качество соединений волокон достигается при их сварке. Средние потери в сростках одномодовых волокон составляют около 0.02 дБ, а прочность сростков волокон такова, что при прикладывании к волокну разрушающей нагрузки сросток волокон чаще всего остается целым. Однако для того, чтобы добиться столь малых потерь в месте соединения волокон смещение сердцевин волокон друг относительно друга (d) не должно превышать десятых долей длины волны. Так, например, при d ≈ 0.3λ, Δw ≈ 7λ и w = 0 с помощью формулы (1.1) получаем оценку: α_d(дБ) = 0.01 дБ.

Создание сростков волокон с малыми потерями сильно осложняется из-за наличия эксцентриситета между сердцевиной и кварцевой оболочкой. Как видно из таблицы № 1.4, оси сердцевин волокон могут быть смещены относительно осей кварцевой оболочки примерно на 0.5 мкм. При сварке волокон силы поверхностного натяжения стремятся совместить оси оболочек и развести (при наличии эксцентриситета) оси сердцевин волокон (рис. А.1а). Поэтому, если не производить коррекцию эксцентриситета, то сердцевины волокон в сростках могут быть смещены друг относительно друга на величину порядка 1 мкм. Потери при таком смещении получаются очень большими: α_d(дБ) ≈ 0.16 дБ (при d = 1 мкм, w = 10 мкм и Δw = 0).

Рис. А. 1. Сварки волокон обладающих эксцентриситетом (а) без коррекции (б) с коррекцией эксцентриситета

Юстировка волокон в сварочных аппаратах осуществляется по их изображению и по интенсивности света, проходящего через место соединения волокон в процессе их сварки (LID - local light injection and detection) (рис. А.2). Достоинством LID системы является то, что в ней осуществляется прямое измерение потерь в месте соединения волокон. В настоящее время эта система используется в сварочных аппаратах фирмы Siemens (Corning). Однако LID система обладает и рядом существенных недостатков, например, высокими требованиями к качеству скола торцов волокон, проблемами, возникающими при вводе и вывода света через пластиковую оболочку волокон, а также через кварцевую оболочку со сложным профилем показателя преломления. Поэтому большинство производителей сварочных аппаратов предпочитает осуществлять юстировку волокон по их изображению.

Рис. А.2. Схема юстировки волокон по интенсивности прошедшего света (LID система)

Наибольшее распространение получили система PAS (profile alignment system) и близкая к ней по идеологии система HDCM (high direct core monitoring). Система PAS применяется в варочных аппаратах японских компаний Furukawa S 175 и Fujikura FSM-40S, а система HDCM в аппаратах Sumitomo Туре-36 и Туре-37. Система PAS используется для грубой юстировки волокон в сварочных аппаратах FSU975 компании Ericson, а прецизионная юстировка в этих аппаратах осуществляется по изображению сердцевин волокон светящихся в дуге электрического разряда.

В PAS системе волокно действует как цилиндрическая линза (рис. А.3). При освещении волокна сбоку пучком параллельного света формируется изображение, в котором видны границы оболочки и сердцевины и, таким образом, содержится информация об эксценриситете соединяемых волокон. Программное обеспечение позволяет расшифровать полученное изображение, смоделировать, с учетом типа волокон, процесс их сварки и рассчитать расстояние, на которое надо предварительно развести сердцевины волокон так, чтобы силы поверхностного натяжения совместили их при сварке.

Рис. A.3. Схема юстировки волокон по сердцевине (а) Схема наблюдения изображения волокон (б) Схема формирования изображения сердцевины (с) Изображения волокон на дисплее

Прямое измерение потерь непосредственно с помощью сварочного аппарата возможно только при использовании LID системы. При юстировке волокон по их изображению потери в сростках волокон не измеряются, а производится только оценка величины этих потерь. При этом достаточно точную оценку потерь в сростках волокон удается получить при условии, что используются волокна высокого качества и сварочные аппараты с развитым программным обеспечением. В последних моделях сварочных аппаратов, например TYPE-37, за счет учета всех основных факторов, влияющих на величину потерь в сростках волокон, удалось добиться того, что оцененные потери практически совпадают с истинными потерями (рис. А.4).

Рис. А.4. Сравнение «истинных» потерь в сростках SM волокон с оценкой потерь получаемой с помощью PAS системы

Как уже говорилось, программное обеспечение сварочного аппарата позволяет расшифровать изображение, полученное с помощью PAS системы, и определить тип волокна. Зная тип волокна, оператор всегда может выбрать в памяти аппарата соответствующий режим сваривания волокон. Заметим, что распознать тип волокна непросто. Например, трудно отличить даже одномодовое волокно от многомодового. Трудность эта вызвана тем, что размеры оболочек у одномодового и многомодового волокна одинаковые, а их сердцевины без подсветки и достаточно сильного увеличения не видны.

Для создания высококачественного сварного соединения волокон недостаточно установить режим, соответствующий типу свариваемых волокон. Необходимо еще скорректировать мощность дуги и положение, торцевых поверхностей волокон относительно центра дуги с учетом изменения параметров окружающей среды, износа электродов, и разной температурной зависимости вязкости у свариваемых волокон. В последних моделях сварочных аппаратов функция самотестирования осуществляется автоматически, что позволяет, в частности, быстро подобрать нужные параметры при сваривании волокон разных производителей.

При соблюдении всех необходимых технологических условий фирмы, производящие сварочные аппараты, гарантируют среднюю величину потерь в сварном соединении высококачественных SM волокон порядка 0.02 дБ. В чем достаточно просто можно убедится, сваривая SM волокна в лаборатории. Все современные высокоточные сварочные аппараты позволяют быстро и качественно сваривать волокна в полевых условиях при минимальном участии оператора. Величина потерь в создаваемых с их помощью сварных соединениях и прочность этих соединений примерно одинаковы и различаются эти аппараты, в основном, своими эксплутационными характеристиками.