Mikroanaliza spawów jednomodowych światłowodów telekomunikacyjnych różnych typów

Transkrypt

1 Marek Ratuszek, Jacek Majewski, Zbigniew Zakrzewski Instytut Telekomunikacji Akademia Techniczno-Rolnicza, Bydgoszcz Jan Hejna Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej Politechnika Wrocławska Mikroanaliza spawów jednomodowych światłowodów telekomunikacyjnych różnych typów W pracy przedstawiono wyniki obserwacji mikroskopowych i mikroanalizy rentgenowskiej spawów światłowodów telekomunikacyjnych SMF, DC-SMF, NZDS-SMF wykonanych technologiami OVD, MCVD. Badania wykonano za pomocą elektronowego mikroskopu skaningowego JSM5800L wyposażonego w spektrometr rentgenowski EDS. Badane spoiny otrzymano programami standardowego i optymalizowanego spawania. Przedstawiono wyniki mikroanalizy składu spawów, mapy rozmieszczenia domieszki rdzeniowej w obrębie spawów oraz jej rozdyfundowanie dopasowujące MFD łączonych włókien. 1. Wprowadzenie Optymalizacja procesów spawania światłowodów SMF G.652 (standard Single Mode Fiber) z włóknami domieszkowanymi erbem EDF (Erbium Doped Fiber) [1] wykazała, że istotne zmniejszenie tłumienia spawów, od kilku db do 0.1 db, uzyskuje się jeżeli w obrębie spawu powstanie, poprzez rozdyfundowanie domieszki erbu, obszar przejściowy rys. 1. Światłowodowy EDF charakteryzują się wysoką aperturą numeryczną NA (Numerical Aperture) i małą średnicą pola modu MFD (Mode Field Diameter) 4 6 µm dla λ=1550 nm. Dla światłowodów SMF odpowiednio MFD 10 µm dla λ=1550 nm, NA = Parametry te narzucają trudniejsze warunki spawania niż w przypadku łączenia ze sobą światłowodów : SMF, DS-SMF G.653 (Dispersion Shifted Single Mode Fiber), NZDS-SMF G.655 (Non Zero Dispersion Shifted Single Mode Fiber), DC-SMF (Depressed Cladding Single Mode Fiber) nawet wykonanymi różnymi technologiami. Wynika to z mniejszych różnic w NA tych światłowodów (od ) i w średnicach pól modu MFD (od 8 11 µm dla λ = 1550 nm). Koncepcja powstawania obszaru przejściowego stała się podstawą przeprowadzonej optymalizacji warunków spawania jednomodowych światłowodów różnych typów, wykonanych różnymi technologiami [2] rys. 1. Uzyskanie optymalnego obszaru przejściowego jest funkcją czasu i prądu spawania [3]. Rys. 1. Schematyczne przedstawienie rozdyfundowania domieszek i powstanie obszaru przejściowego.

2 Optymalizację obszaru przejściowego, jako funkcję czasu i prądu spawania, można przeprowadzić znając współczynniki dyfuzji GeO 2 w SiO 2 w temperaturze spawania. Metodę obliczeń współczynników dyfuzji i optymalizacji obszaru przejściowego wytworzonego na skutek rozdyfundowania domieszki rdzeniowej przedstawiono w [3]. Przedstawiona praca miała na celu potwierdzenie, metodami mikroanalizy rentgenowskiej, koncepcji powstawania obszaru przejściowego. 2. Badanie spawów za pomocą mikroskopu skaningowego Do badań użyto spawów światłowodów przedstawionych w tabeli 1, gdzie spawy przedstawiono numerami próbek. Spoiny otrzymywano programami automatycznego spawania dla światłowodów jednomodowych i opracowanymi przez autorów programami z optymalizacją parametrów. Wszystkie spawy, przedstawione w tabeli 1, otrzymano w tzw. pokojowych warunkach klimatycznych odpowiadających parametrom : temperatura spawania t = 21±3 C, względna wilgotność otoczenia RH = 50 ± 20 %. Tabela 1 Spawy użyte do badań. SMF Siecor (OVD) SMF Siecor (OVD) SMF Fiber Optics (OVD) DC-SMF Lycom SMF Lycom NZDS-SMF Lucent Tech. TrueWave SMF Fiber Optics (OVD) 2 DC-SMF Lycom 8 SMF Lycom NZDS-SMF Lucent Tech. TrueWave 3 4 2* - numer próbki, program optymalizowany 7 - numer próbki, program automatycznego spawania 2.1 Przygotowanie próbek Spawy szlifowano celem dojścia do rdzeniowego obszaru spawu. Do szlifowania stosowano specjalny uchwyt umożliwiający precyzyjne usuwanie warstw materiału i utrzymanie płaskości powierzchni. Głębokość szlifowania kontrolowano zgrubnie za pomocą mikroskopu metalograficznego. Dokładnego sprawdzenia, czy przekrój przechodzi przez rdzeń dokonywano za pomocą elektronowego mikroskopu skaningowego JSM5800L firmy JEOL w modzie niskopróżniowym umożliwiającym obserwacje izolatorów bez pokryć pierwotnych. Po dojściu do obszaru rdzeniowego próbkę wyjmowano z uchwytu i polerowano ręcznie pastą diamentową. 2.2 Badania mikroskopowe Obserwacje spawów i ich mikroanalizę rentgenowską składu wykonano za pomocą elektronowego mikroskopu skaningowego JSM5800L firmy JEOL (Japonia) wyposażonego w spektrometr rentgenowski EDS (Energy Dispersive Spectrometer spektrometr z dyspersją energii) model ISIS300 firmy Oxford (Wlk. Brytania). Detektor w spektrometrze wyposażony jest w ultracienkie okienko i umożliwia analizę pierwiastków lekkich.

3 Próbki badano w modzie niskopróżniowym bez pokrycia przewodzącego lub w modzie wysokopróżniowym po uprzednim pokryciu ich warstewką węgla poprzez naparowanie w napylarce próżniowej. Do obserwacji w obydwu przypadkach używano półprzewodnikowego detektora kontrastu materiałowego. Kontrast na próbce powstaje pomiędzy obszarami o różnym składzie chemicznym (pierwiastki cięższe dają większy sygnał i są jaśniejsze na zdjęciach). Kontrast pomiędzy rdzenie i płaszczem jest bardzo mały (mała zawartość germanu w rdzeniu) i dlatego stosowano bardzo duże wzmocnienie detektora, dlatego też na zdjęciach widoczny jest również kontrast topograficzny. Obserwacje wykonano przy napięciu przyspieszającym 20 kv, po to aby otrzymać wystarczająco silny kontrast. Ciśnienie w komorze mikroskopu, w modzie niskopróżniowym wynosiło 45 Pa a w modzie wysokopróżnowym ok Pa. Powietrze jonizowane przez wiązkę elektronową i elektrony emitowane z powierzchni próbki neutralizuje ujemny ładunek powstający w próbkach nieprzewodzących. Mikroanalizę rentgenowską wykonano na próbkach pokrytych węglem w modzie wysokopróżniowym. Stosowano napięcie przyspieszające 6 kv, które umożliwia efektywne wzbudzenie obserwowanych linii promieniowania rentgenowskiego (linie K dla Si i O oraz linia L dla Ge), znacznie mniejsza jest również niż przy 20 kv objętość w jakiej rozpraszane są elektrony i generowane jest promieniowanie rentgenowskie. Wykonywano tylko mikroanalizę jakościową. Wykonano głównie analizy w punktach otrzymuje się wtedy widmo promieniowania rentgenowskiego w danym punkcie. Wykonano również dla próbki nr 3 analizę rozmieszczenia Ge wzdłuż przekroju włókna rys. 2 oraz dla próbki nr 5 mapę rozmieszczenia Ge na powierzchni przekroju rys. 3. Koncentracja Ge jest mała i sygnał rentgenowski od niego jest bardzo słaby, stąd też analiza wzdłuż linii i mapy rozmieszczenia wychodzą słabo, tym niemniej wyraźnie widać jest rozmycie Ge w obrębie spawu. Dla próbek nr 1 rys. 4, nr 2 rys.5, nr 4 rys. 6 wykonano zdjęcie tylko w modzie niskopróżniowym, dla próbki nr 8 rys. 7 tylko w modzie wysokopróżniowym. Dla próbek nr 3 rys. 8, nr 5 rys. 9, nr 6 rys. 10 wykonano zdjęcie w modzie niskopróżniowym oznaczone na rysunkach stare oraz po dodatkowym przepolerowaniu i pokryciu węglem w modzie wysokopróżniowym oznaczone na rysunkach nowe. 2.3 Rentgenowska mikroanaliza składu spawu Mikroanalizy wykonano dla próbek nr 3, nr 5 rys. 11, nr 6, nr 8. Analizy punktowe wykonano w środku rdzeni łączonych włókien, na brzegu rdzenia oraz w płaszczu przy zakończeni miejsca spawania - rys. 2. Analiza ma charakter jakościowy, gdyż zgrubna czułość przyrządu wynosiła 1 at%. Rys. 2 Próbka Nr 3 (tabela 1) analiza rozmieszczenia Ge wzdłuż przekroju włókna SE1, SE2 zmiany sygnału elektronowego wzdłuż przekroju włókna NZDS-SMF TrueWave GeLa1 zmiany intensywności promieniowania rentgenowskiego Ge wzdłuż przekroju SiKa zmiany intensywności promieniowania rentgenowskiego Si wzdłuż przekroju.

4 Próbka 5 mapy (Bse.tif) Próbka 5 mapy (Ge.tif) Próbka 5 mapy (Ge-1.tif) Próbka 5 mapy (Ge-2.tif) Rys. 3 Próbka Nr 5 * (tabela 1) mapy rozmieszczenia Ge na powierzchni przekroju obszaru spawu. Rys. 4 Próbka Nr 1 (tabela 1) mikroskopowe zdjęcie obszaru spawu w modzie niskopróżniowym.

5 2-1. tif 2-2. tif Rys. 5 Próbka Nr 2 * (tabela 1) mikroskopowe zdjęcia obszaru spawu w modzie niskopróżniowym. 4-1.tif 4-2.tif Rys. 6 Próbka Nr 4 * (tabela 1) mikroskopowe zdjęcia w modzie niskopróżniowym. 8-1.tif 8-2.tif Rys. 7 Próbka Nr 8 * (tabela 1) mikroskopowe zdjęcia w modzie wysokopróżniowym.

6 Stare 3-3.tif Nowe 3-4.tif Rys. 8 Próbka Nr 3 (tabela 1) mikroskopowe zdjęcia w modzie niskopróżniowym (stare) i wysokopróżniowym (nowe). Stare 5-1.tif Nowe 5-22tif Rys. 9 Próbka Nr 5 * (tabela 1) mikroskopowe zdjęcia w modzie niskopróżniowym (stare) i modzie wysokopróżniowym (nowe). Stare 6-1.tif Nowe 6-2.tif Rys. 10 Próbka Nr 6 * (tabela 1) mikroskopowe zdjęcia w modzie niskopróżniowym (stare) i modzie wysokopróżniowym (nowe).

7 Zaznaczone miejsca analiz (Próbka 5 widma (5-6-1_b.tif)) Mikroanaliza w miejscu 1 (Próbka 5 widma (1.tif)) Mikroanaliza w miejscu 2 (Próbka 5 widma (2.tif))

8 Mikroanaliza w miejscu 3 (Próbka 5 widma (3.tif)) Mikroanaliza w miejscu 4 (Próbka 5 widma (4.tif)) Rys. 11 Próbka Nr 5 * (tabela 1) mikroanaliza składu w punktach zaznaczonych na zdjęciu. 3. Wnioski Obserwacja spawów za pomocą mikroskopu skaningowego oraz ich mikroanaliza rentgenowska, szczególnie mapa rozmieszczenia Ge na powierzchni przekroju spawu rys. 3, potwierdziły rozdyfundowanie GeO 2 w procesie spawania rys. 9-10, aczkolwiek w stosunku do obliczeń przedstawionych w [2,3] rozdyfundowaie wydaje się mniejsze. Niestety, jakościowy charakter badań nie pozwala na przedstawienie wyników, które można było by ilościowo porównać z obliczeniami przedstawionymi w [2,3]. Wyżej przedstawione badania potwierdziły również ciągłość i brak zmian struktury spawów wykonanych programami optymalizowanymi opracowanymi przez zespół badawczy. Potwierdziły również wysoką kolistość płaszczy włókien, centryczność położenia rdzeni względem płaszczów oraz bardzo dużą precyzję współczesnych spawarek. Nie zauważono różnic przy spawaniu światłowodów wykonanych różnymi technologiami.

9 Literatura 1. W. Zheng, The Real Time Control Technique for EDF Splicing, Ericsson Review pp.1-24, M. Ratuszek, J. Majewski, Z. Zakrzewski, J. Zalewski, Examination of Spliced Telecommunication Fibers of the NZDS - SMF Type Adjusted to Wavelength Division Multiplexing, Optica Applicata, Vol. XXIX, No. 1-2, pp , M. Ratuszek, Z. Zakrzewski, J. Majewski, M.J. Ratuszek, Procesy dyfuzji i powstawanie obszaru przejściowego podczas spawania jednomodowych światłowodów telekomunikacyjnych, VII Konferencja - Światłowody i ich Zastosowania Krasnobród 99, tom II, str ,

10 Marek Ratuszek, Jacek Majewski, Zbigniew Zakrzewski Instytut Telekomunikacji Akademia Techniczno-Rolnicza, Bydgoszcz Jan Hejna Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej Politechnika Wrocławska Mikroanaliza spawów jednomodowych światłowodów telekomunikacyjnych różnych typów W pracy przedstawiono wyniki obserwacji mikroskopowych i mikroanalizy rentgenowskiej spawów światłowodów telekomunikacyjnych SMF, DC-SMF, NZDS-SMF wykonanych technologiami OVD, MCVD. Badania wykonano za pomocą elektronowego mikroskopu skaningowego JSM5800L wyposażonego w spektrometr rentgenowski EDS. Badane spoiny otrzymano programami standardowego i optymalizowanego spawania. Przedstawiono wyniki mikroanalizy składu spawów, mapy rozmieszczenia domieszki rdzeniowej w obrębie spawów oraz jej rozdyfundowanie dopasowujące MFD łączonych włókien. Marek Ratuszek, Jacek Majewski, Zbigniew Zakrzewski Institute of Telecommunication Academy of Technology and Agriculture in Bydgoszcz Jan Hejna Institute of Materials Science and Technical Mechanics Technical University of Wrocław The Microanalysis of Different Types Single- Mode Telecommunication Fibers The results of microscope observations and roentgen microanalysis of optical telecommunication SMF, DC-SMF, NZDS-SMF fibers made by OVD, MCVD technologies have been presented in the work. The researches were made by means of scanning electron microscope JSM 5800L equipped with roentgen spectrometer EDS. Researched splices was received by standard and optimization splicing programs. Results of microanalysis of splices composition, location dopant in core map within the limits of splices and its diffusion matched MFD of spliced fibers have been presented.