Łączenie włókien światłowodowych metodą spawania

Transkrypt

1 Łączenie włókien światłowodowych metodą spawania Zbigniew KOPER TP S.A. OTO Lublin, Laboratorium Badawcze, ul. Energetyków 23, Lublin, tel. 0 (81) , koperz@zt.lublin.tpsa.pl Streszczenie: Szybki rozwój techniki światłowodowej wpłynął na powstanie wielu nowych wyrobów oraz technologii. Spektakularny rozwój przeżyła technika łączenia włókien światłowodowych. Współczesne spawarki charakteryzują się wysokim stopniem automatyzacji i oferują wiele dodatkowych funkcji pozwalających sprawnie łączyć różne typy włókien światłowodowych. Obserwuje się równocześnie duże zapotrzebowanie na podstawowe informacje na temat techniki spawania, czynników wpływających na jakość spawania oraz możliwości jakie oferują poszczególne modele spawarek. Niniejszy artykuł jest próbą odpowiedzi na wspomniane zapotrzebowanie. Przedstawiono w nim przekrojowo problematykę łączenia włókien światłowodowych metodą spawania. Omówiono czynniki wpływające na jakość połączeń spawanych, różne techniki pozycjonowania światłowodów, przebieg procesu spawania, często pomijane aspekty związane z bezpieczeństwem oraz problemy mogące powstać przy spawaniu. Artykuł może być traktowany jako wprowadzenie w problematykę łączenia włókien metodą spawania. Spis Treści 1. Wstęp Czynniki wpływające na jakość spawu Uwagi praktyczne dotyczące spawania Warunki środowiska w miejscu preparowania włókna i wykonywania spawów Preparatyka kabla Preparatyka włókna Zdejmowanie pokrycia Czyszczenie powierzchni włókna Kąt cięcia włókna Pozycjonowanie włókna Metoda ręczna: Metoda zautomatyzowana Metody pozycjonowania Spawanie Ocena jakości spawu Widoczne miejsce połączenia Efekt poświaty Czynności końcowe Badanie złączy światłowodowych Uwagi dotyczące bezpieczeństwa Problemy związane za spawaniem Łączenie włókien typu matched cladding z włóknami typu depressed cladding Łączenie włókien standardowych z włóknami typu NZDF Tzw. Zimne spawy Awaryjne łączenie włókien Spawanie taśm światłowodowych Podsumowanie Bibliografia... 16

2 1. Wstęp Ciągłość optyczną niezbędną do transmisji sygnałów uzyskuje się łącząc kolejne odcinki światłowodów w jeden tor optyczny. Główne metody łączenia światłowodów to: 1. Złącze optyczne wielokrotnego łączenia 2. Połączenia mechaniczne 3. Połączenia spajane zwane popularnie spawami Ze złączami optycznymi mamy do czynienia gdy przewiduje się okresowe łączenie i rozłączanie związane z pracami konserwacyjnymi, pomiarami lub zmianami konfiguracji systemu.. Ceną za możliwość wielokrotnego łączenia jest jednak wyższy koszt oraz dużo większe niż w przypadku innych połączeń tłumienie złączy wielokrotnych. Połączenia mechaniczne mogą mieć charakter połączeń tymczasowych oraz stałych. Ich zaletą jest niski koszt oraz łatwe wykonanie nie wymagające zaawansowanej technicznie aparatury. Do montażu takich połączeń wystarcza zestaw stosunkowo prostych narzędzi. Ze względu na fakt, że włókna jednomodowe, mające średnice rdzenia dużo mniejszą niż włókna wielomodowe, charakteryzują się mniejszą tolerancją na nieprecyzyjne pozycjonowanie przy montażu, narzędzia i procedury stosowane do ich łączenia są znacznie droższe. Najczęściej stosowaną techniką łączenia włókien jest jednak wykonywanie połączeń spajanych (spawów). Stosując współczesne spawarki można bez problemu wykonywać połączenia zarówno włókien wielomodowych jak i jednomodowych o tłumieniu mieszczącym się w zakresie 0,01 do 0,10 db. Powszechnie przyjętą techniką jest spawanie w łuku elektrycznym. Zapewnia ona szybkie i powtarzalne wykonywanie doskonałej jakości spawów. Rysunek 1 przedstawia schematycznie obszar roboczy spawarki elektrycznej. Znane są również inne metody spawania światłowodów np. spawanie w płomieniu palnika wodorowego. Rysunek 1 Obszar roboczy spawarki światłowodowej V - rowek spawane włókna elektrody 2. Czynniki wpływające na jakość spawu Jakość połączeń spawanych definiowana jest przez dwa parametry: 1. Tłumienie spawu 2. Wytrzymałość spawu

3 Czynniki determinujące tłumienie spawu można podzielić na czynniki wewnętrzne oraz zewnętrzne. Czynniki wewnętrzne związane są z procesem wytwarzania włókna i operator wykonujący połączenia spawane nie ma na nie wpływu. Dla światłowodów gradientowych czynnikami wewnętrznymi są: niedopasowanie średnic rdzenia, niedopasowanie apertur numerycznych oraz profilu współczynnika załamania łączonych włókien. Istotną rolę odgrywa również błąd wzajemnej niecentryczności rdzenia i płaszcza. Tłumienie związane z niecentrycznością rdzenia można zmniejszyć stosując odpowiednią metodę pozycjonowania włókien przed ich spawaniem. Wewnętrzne tłumienie spawów związane z różnicą średnic rdzeni i apertur numerycznych można oszacować. Należy zauważyć, że tłumienie spawu charakteryzuje się kierunkowością, tzn. tłumienie pojawia się tylko wówczas gdy włókno akceptujące ma średnicę rdzenia albo aperturę numeryczną mniejszą niż włókno emitujące. Tłumienia połączeń spawanych są addytywne tzn. jeśli dwa łączone włókna wielomodowe wykazują niedopasowanie w zakresie zarówno średnicy rdzenia jak i apertury wówczas ich wkład do tłumienia jest sumą wkładów od każdego z czynników osobno. Dla włókien jednomodowych dominującym czynnikiem wywołującym tłumienie jest niedopasowanie średnic pól modowych. Wkład do tłumienia spawu pochodzący od niedopasowania pól modowych można oszacować posługując się rysunkiem nr 2. Rysunek 2 Tłumienie połączeń spawanych wynikające z niedopasowania średnic pól modowych tłumienie [db] 0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 stosunek średnic pól modowych MFD Rysunek 1 przedstawia zależność tłumienia spawu od stosunku średnic pól modowych łączonych włókien przy założeniu, że pomiar wykonywany jest w obu kierunkach. Jak widać z rysunku tak szacowane tłumienie jest praktycznie niezależne od kierunku tzn. podobne tłumienie obserwować się będzie przy przechodzeniu przez połączenie spawane niezależnie od kierunku propagacji. Tłumienie związane z niedopasowaniem pól modowych występującym przy typowych tolerancjach tego parametru jest stosunkowo niewielkie. Przykładowo w tzw najgorszym przypadku dla tolerancji 9,3 ±0,5µm mierzone dwukierunkowo tłumienie wyniesie ok. 0,04 db. Bardziej szczegółowo problem ten zostanie omówiony w rozdziale 4. Czynniki zewnętrzne związane są z metodą łączenia oraz stosowanymi procedurami. Na tłumienie spawów mogą wpływać takie czynniki jak przesunięcie poprzeczne i kątowe, zanieczyszczenie czy deformacja rdzenia. Wpływ tych czynników można minimalizować przez stosowanie odpowiednich metod pozycjonowania włókien i odpowiednich cykli spawania. W przypadku mechanicznego łączenia włókien pojawiają się dodatkowe czynniki związane z ustawieniem końców włókien, kątem cięcia i odbiciem Fresnela.

4 3. Uwagi praktyczne dotyczące spawania Aby otrzymać wysokiej jakości połączenie spawane muszą być spełnione następujące warunki: 3.1 Warunki środowiska w miejscu preparowania włókna i wykonywania spawów Kluczowe znaczenie dla jakości połączeń spawanych ma dbałość o warunki środowiska w miejscu gdzie wykonywane są połączenia. Znany jest negatywny wpływ takich czynników jak kurz, silny wiatr czy środowisko korozyjne. Należy dołożyć wszelkich starań aby zminimalizować wpływ tych czynników. Możliwe są różne rozwiązania. Najbardziej komfortowe warunki stwarza specjalne mobilne klimatyzowane pomieszczenie. Nawet w przypadku braku takiego przewoźnego pomieszczenia można zrobić wiele aby zapewnić dobrą jakość spawów. Miejsce wykonywania połączeń wystarczy osłonić przed bezpośrednim działaniem czynników klimatycznych i jeśli to konieczne ogrzewać. Należy również pamiętać o tym, że po zdjęciu pokrycia oczyszczeniu i ucięciu włókna czas staje się czynnikiem decydującym o wystąpieniu bądź nie problemów związanych z zanieczyszczeniem włókien. Zanieczyszczenie powierzchni włókna może skutkować po wykonaniu spawu zwiększeniem tłumienia lub obniżeniem wytrzymałości mechanicznej spawu. 3.2 Preparatyka kabla Często lekceważonym czynnikiem mającym wpływ na jakość połączeń spawanych jest odpowiednia preparatyka kabla. Należy tu rygorystycznie przestrzegać zaleceń dostawcy kabla. Można jednak sformułować pewne wskazówki wspólne dla wszystkich typów kabli. Dotyczą one głównie dobierania odpowiedniej długości włókna tak aby możliwe było swobodne połączenie dwu końców włókna i umieszczenie połączenia na tacce. Należy pamiętać o odpowiednim zapasie włókna na wypadek konieczności powtórzenia nieudanego spawu. 3.3 Preparatyka włókna Zdejmowanie pokrycia Pokrycie może być zdejmowane na wiele sposobów: mechanicznie, metodą termiczną czy chemiczną. Metodą zalecaną w przypadku pokryć akrylowych jest metoda mechaniczna, która gwarantuje szybkie, tanie i precyzyjne zdjęcie pokrycia. Narzędzie stosowane do zdejmowania pokrycia nie może powodować uszkodzenia powierzchni włókna. Zaleca się specjalizowane narzędzia dopasowane do określonej średnicy włókna i rodzaju pokrycia. Aby uniknąć uszkodzenia włókna nie powinno się zdejmować jednorazowo więcej niż 5 cm pokrycia pierwotnego. Stosowana czasami metoda chemiczna jest dużo wolniejsza i może powodować w dłuższym okresie czasu degradację pozostałego pokrycia oraz bezpośrednio włókna zmniejszając żywotność spawu. Z tego powodu wszystkie włókna wystawione na działanie rozpuszczalników muszą być starannie oczyszczone przed cięciem Czyszczenie powierzchni włókna Resztki pokrycia akrylowego pozostające po mechanicznym lub innym zdejmowaniu pokrycia muszą być bezwzględnie usunięte z powierzchni włókna. Do oczyszczenia powierzchni włókna stosuje się specjalne chusteczki, najlepiej nasączane alkoholem. Należy pamiętać, że włókno pozbawione pokrycia jest bardzo wrażliwe, w związku z tym wszelkie czynności wykonywane na włóknie przed wykonaniem spawania należy ograniczyć do minimum a czas ich realizacji powinien być jak najkrótszy, aby ograniczyć wtórne zanieczyszczenie włókna. W większości przypadków wystarcza jednorazowe przesunięcie chusteczki po powierzchni włókna Kąt cięcia włókna Decydujące znaczenie dla jakości połączeń spawanych ma końcowa preparatyka włókna związana z jego cięciem. Wymagania dotyczące dopuszczalnego kąta ciecia włókna różnią się w zależności od użytkownika, jednak przyzwoitą jakość połączeń spawanych zapewniają

5 przyrządy pozwalające na uzyskiwanie kątów ciecia mniejszych niż 2 0. Noże tnące z kontrolą naciągu włókna i regulacją ostrza pozwalają na uzyskiwanie wartości mniejszych niż 0, Pozycjonowanie włókna Metoda ręczna: Pierwszy krok to umieszczenie czystego i przyciętego za pomocą specjalnego noża włókna w uchwytach spawarki. Ustawianie ręczne wymaga ustalenie tak małej jak to możliwe przerwy między czołami włókien, aby zredukować błędy, które mogą wynikać z wzrokowej oceny ustawienia krawędzi Metoda zautomatyzowana W przypadku metody zautomatyzowanej czynności wstępne ograniczają się do umieszczenia włókien w uchwytach spawarki Metody pozycjonowania Znanych jest kilka metod pozycjonowania włókna. Najważniejsze z nich wymienione są poniżej: 1. Metoda kontroli poziomu mocy za pomocą źródła i detektora (RIDS Remote Injection and Detection System) 2. Metoda monitorowania za pomocą reflektometru 3. Metoda lokalnego wstrzykiwania światła i detekcji sygnału (LIDS Local Injection and Detection System) 4. Metoda pozycjonowania uwzględniająca profil (PAS - Profil Alignment Technique) 5. Bierne pozycjonowanie za pomocą V-rowków Metoda RIDS pozwala na optymalne ustawienie włókien na podstawie pomiaru mocy optycznej transmitowanej przez punkt łączenia. Źródło światła połączone jest z jednym z odcinków włókna, światło przechodzi przez punkt łączenia włókien i trafia do detektora połączonego z drugim odcinkiem włókna. Pozycjonowanie włókna polega na przemieszczaniu go względem osi X i Y tak aby uzyskać maksymalny poziom mocy. Metoda ta jest dokładniejsza niż metoda wizualna gdyż pozwala na wzajemne centrowanie rdzeni włókien. Jej poważną wadą jest konieczność obserwacji poziomu mocy na końcu linii optotelekomunikacyjnej przez inną osobę i ustanowienie połączenia miedzy nią a operatorem wykonującym spawanie. Możliwe jest również pozycjonowanie włókien przy użyciu reflektometru OTDR. Skuteczność tej metody zależy jednak od możliwości reflektometru w zakresie prezentacji wyników w czasie rzeczywistym. Alternatywą dla obu wspomnianych powyżej metod jest metoda lokalnego wstrzykiwania i detekcji charakteryzowana skrótem LIDS. Metoda ta stosowana jest w wielu współczesnych spawarkach. Metoda LIDS jest w istocie rzeczy zmodyfikowaną metodą RIDS eliminującą potrzebę zdalnego monitoringu. Łączone włókna są zgięte po obu stronach przyszłego spawu tak, że możliwe jest wprowadzenie światła do jednego z nich i detekcja światła wychodzącego z drugiego. Inną propozycją jest metoda pozycjonowania uwzględniająca profil tzw. metoda PAS. Rysunek nr 3 przedstawia zasadę metody PAS. Rysunek 3 Poprzeczny widok włókna spawanego z wykorzystaniem metody PAS

6 Nieoświtlone "ciemne" obszary równoległa wiązka światła soczewka kamera CCD źródło światła W metodzie tej odpowiednio uformowana wiązka światła jest kierowana na włókna w okolicy punktu spawania pod kątem 90 do osi włókien tworząc na kamerze CCD obraz który wykorzystywany jest przy pozycjonowaniu. Niektóre spawarki mają wbudowane oprogramowanie analizujące obraz, które na podstawie obrazów rdzenia pozycjonuje włókna. Inne spawarki wykorzystują technikę PAS w odniesieniu do profilu płaszcza. Jakość pozycjonowania zależy jednak głównie od współczynnika centryczności rdzenia i płaszcza. Pasywne pozycjonowanie włókien wykorzystujące V rowek obarczone jest błędami związanymi z dokładnością ustawienia V rowków, średnicą płaszcza oraz wsp. centryczności rdzenia i płaszcza. 3.5 Spawanie Spawanie można rozpocząć po optymalnym ustawieniu włókien. Jednak najczęściej właściwe spawanie poprzedzone jest jednym lub kilkoma krótkimi impulsami łuku elektrycznego, których celem jest usuniecie zanieczyszczeń z powierzchni włókna. W spawarkach posiadających pełną automatykę czynność ta wykonywana jest samoczynnie w trakcie typowego cyklu spawania. Następny krok w procesie spawania zwany spawaniem wstępnym polega na ogrzaniu końców włókien celem ogrzania materiału włókien. Zapewnia to optymalną temperaturę włókna przed właściwym spawaniem i równomierne mięknięcie włókien przed ich fizycznym złączeniem. Zbyt wysoka temperatura spawania wstępnego powoduje deformacje końców włókien i powstanie spawu złej jakości. Zbyt niska temperatura może skutkować deformacjami mechanicznymi końców włókien w trakcie ich zbliżania. Optymalna temperaturę włókna w trakcie spawania uzyskuje się dzięki zarówno spawaniu wstępnemu jak i końcowemu. Różni dostawcy spawarek stosują różne metody spawania wstępnego. Można je podzielić na dwie grupy: metody stopniowego ogrzewania i ogrzewania impulsowego. Od wyboru określonej metody wygrzewania wstępnego zależy jednorodność ogrzania końców włókien. Metoda stopniowego wygrzewania zapewnia jednorodne wygrzanie materiału włókna. Przy zastosowaniu metody impulsowej ogrzewają się głównie powierzchniowe warstwy włókna co powoduje powstanie efektu tzw. fazowania (zaokrąglania ) krawędzi włókna. Pomimo, że obie metody spawania wstępnego zapewniają uzyskanie spawów wysokiej jakości mogą powodować powstawanie widocznych charakterystycznych dla każdej z nich śladów połączenia spawanego. Uzyskanie spawu dobrej jakości wymaga odpowiedniego ustawienia takich parametrów spawania jak prąd spawania wstępnego i właściwego, czas trwania poszczególnych faz procesu, wielkość szczeliny miedzy włóknami i tzw. zakładki czyli odległości na jaką zachodzą włókna w trakcie spawania. Wartości tych parametrów różnią się dla różnych spawarek, zależą również od wytwórcy włókna i typu włókna. Istotny wpływ na jakość spawów mają również warunki środowiska (temperatura, wilgotność i ciśnienie

7 atmosferyczne). Prace na temat wpływu warunków środowiska na jakość połączeń spawanych prowadzone były również w kraju [7]. Wobec mnogości parametrów wpływających na jakość spawów częstą praktyką uzyskiwania optymalnych ustawień jest korygowanie tzw. ustawień fabrycznych dostępnych w większości spawarek. Rysunek nr 4 przedstawia przebieg typowego procesu spawania światłowodów jednomodowych. Na rysunku zobrazowane są dwa podstawowe parametry spawania: szczelina miedzy włóknami oraz wartość prądu spawania. Charakterystyka prądowa składa się z trzech elementów: impulsu oczyszczającego (tzw. prespawu), spawania wstępnego oraz spawania właściwego widocznych na wykresie jako trzy kolumny o różnych podstawach i wysokościach. Między prespawem a spawaniem wstępnym jest dosyć duża przerwa w trakcie której wykonywane są czynności związane z pozycjonowaniem włókna. Widoczna na wykresie linia ciągła obrazuje wielkość szczeliny między włóknami w trakcie procesu spawania. Jak można zaobserwować włókna są kilkakrotnie rozsuwane i dosuwane aby w końcowej fazie zostać dosunięte na zakładkę. Rysunek 4 Przebieg typowego procesu spawania szczelina prąd spawania czas wstępny impuls oczyszczający pozycjonowanie spawanie wstępne spawanie właściwe punkt zetknięcia włókien rozsuniecie przed spawaniem Rysunek 4 przedstawia najprostszy typowy przebieg procesu spawania włókien jednomodowych. W szczególnych przypadkach przebieg procesu może znacznie odbiegać od typowego. Na przykład zastosowanie techniki PAS a zwłaszcza stosowanej przez firmę Ericsson jej odmiany RTC (Real Time Control) umożliwiającej pozycjonowanie włókien w wykorzystaniem tzw. gorącego obrazu rdzenia znacznie komplikuje proces spawania. Rysunek nr 5 przedstawia tego typu proces. Rysunek 5 Proces spawania z wykorzystaniem techniki RTC

8 szczelina wstępne podgrzanie pomiar przesuniecia rdzeni prąd spawania czas wstępny impuls oczyszczający pozycjonowanie spawanie właściwe spawanie wstępne punkt zetknięcia włókien rozsuniecie przed spawaniem Porównując proces RTC do procesu standardowego zauważamy pojawienie się szeregu dodatkowych impulsów prądowych zarówno w fazie przygotowawczej jak i w trakcie spawania właściwego. Służą one uzyskaniu obrazu gorących rdzeni wykorzystywanego przy pozycjonowaniu włókna. Gdy przesunięcie rdzeni staje się mniejsze od zadanej wartości proces spawania jest kończony. 3.6 Ocena jakości spawu Podstawowe parametry charakteryzujące jakość połączenia spawanego to: wytrzymałość włókna i straty wtrąceniowe powstałe w punkcie łączenia włókien. Niektóre spawarki posiadają wbudowaną funkcję automatycznego sprawdzania odporności spawu na rozciąganie po wykonaniu połączenia spawanego. Jeśli włókno nie pęknie przy zadanej sile rozciągającej oznacza to że test został zaliczony. Częstą praktyką jest również manualne sprawdzanie wytrzymałości spawu po wyjęciu w uchwytów spawarki. Ten sposób wymaga jednak dużego wyczucia i trudno go polecać jako standardową metodę. Poziom tzw. strat wtrąceniowych sprawdzany jest za pomocą reflektometru lub miernika mocy. Jeśli poziom tych strat przekracza ustalone granice tolerancji spaw należy powtórzyć. Właściwa ocena strat związanych ze spawem możliwa jest jednak dopiero po wykonaniu dwustronnych pomiarów OTDR. Więcej na ten temat w rozdziale 4. Powszechnie stosuje się również wizualną metodę oceny jakości spawu. Zgrubienia w miejscu łączenia włókien, przewężenia, zgięcia, pęcherze czy ciemne linie związane są najczęściej z obniżeniem wytrzymałości spawu lub podwyższonym tłumieniem i wskazują na konieczność powtórzenia spawania. Spawanie włókien z czystego kwarcu powoduje powstanie pozbawionej jakichkolwiek przebarwień spoiny, której zauważenie za pomocą standardowej optyki stosowanej w spawarkach jest bardzo trudne. Jednak zastosowanie światła odbitego (w większości spawarek stosuje się światło przechodzące) ujawnia nawet w przypadku doskonale wykonanych spawów niewielką pionową linię spoiny. Wynika to z różnicy współczynników załamania materiału w obszarze spoiny. Wielkość tego efektu zależy od typu łączonych włókien. Przykładowo w przypadku łączenia włókien z depresją na granicy rdzenia i płaszcza (tzw. włókna depressed cladding) przy produkcji których stosuje się domieszkowanie fluorem efekt ten jest szczególnie widoczny i należy go uznać za rzecz naturalną nie pogarszającą jakości spawu Widoczne miejsce połączenia Temperatura wytwarzana w trakcie procesu spawania musi być wystarczająco duża aby spowodować stopienie szkła kwarcowego z którego wykonany jest światłowód. Spawanie wytwarza cienką i jednorodną warstwę szkła w miejscu złączenia włókien. Dla czystego szkła

9 kwarcowego z którego wykonany jest płaszcz włókna światłowodowego dobrze wykonany spaw jest prawie niewidoczny nawet przy znacznych powiększeniach i podświetlaniu go światłem przechodzącym. Niektóre włókna (na przykład Corning SMF-28 Duraclad ) zawierają w płaszczu cienką warstwę szkła domieszkowanego tytanem co podnosi ich wytrzymałość zmęczeniową, powoduje jednak znaczny wzrost współczynnika załamania w porównaniu z włóknami standardowymi. Ponieważ tytan ma mniejszą lepkość niż czysty kwarc więc dodatek tytanu obniża nieco temperaturę mięknienia szkła. Zależnie od przebiegu procesu spawania (zarówno spawania wstępnego jak i spawania właściwego) końce włókien mogą ulegać mniejszemu lub większemu fazowaniu wynikającemu z niższej temperatury mięknięcia szkła domieszkowanego tytanem. Sytuacje takie występują częściej przy stosowaniu techniki impulsowego spawania wstępnego. Widoczność miejsca łączenia włókien zależy również od kąta patrzenia, kąta oświetlenia oraz optyki stosowanej do wizualnej oceny spawu. Występowanie cienkiej linii w miejscu łączenia włókien nie wskazuje na istnienie tam przerwy. Jest to wynik łączenia różniących się składem oraz współczynnikiem załamania materiałów płaszcza światłowodu. Zjawisko to nie wpływa na straty czy też odporność mechaniczną spawu. Podobny efekt można obserwować przy łączeniu włókien standardowych ale wykonanych różnymi metodami, np. OVD Outside Vapor Deposition (metoda zewnętrznego osadzania z fazy gazowej) czy MCVD- Modified Chemical Vapor Deposition (zmodyfikowana metoda chemicznego osadzania z fazy gazowej). Podobnie jak w przypadku włókien z dodatkiem tytanu przyczyną są różne składy domieszek stosowane przy produkcji tych włókien a w szczególności obecność fluoru we włóknach depressed cladding wytwarzanych metodą MCVD Efekt poświaty Przy łączeniu włókien standardowych z włóknami tytanowymi można zaobserwować efekt tzw. poświaty. Związany on jest z termiczną emisją przez tytan, który obecny jest w zewnętrznej warstwie płaszcza światła w zakresie widzialnym. Ponieważ ani obecność pionowej linii w miejscu łączenia włókien ani poświata nie mają w przypadku włókien zawierających tytan wpływu na jakość spawu zaleca kontynuowanie procesu spawania niezależnie od ich obecności. 3.7 Czynności końcowe Po wykonaniu spawu o zadawalających parametrach i zabezpieczeniu go przy pomocy usztywnianej rurki z tworzywa termokurczliwego (tzw. osłonka spoiny światłowodowej) połączone światłowody należy umieścić na tzw. tacce a ich zapasy ułożyć w sposób zabezpieczający przed uszkodzeniem, pamiętając o odpowiednio dużych promieniach gięcia włókna i unikaniu ostrych krawędzi. 4. Badanie złączy światłowodowych Ostateczna ocena jakości połączeń spawanych wykonywana jest w trakcie prac odbiorczych opisanych na przykład w normie zakładowej TP S.A. [10]. Obejmują one następujące czynności: - sprawdzenie atestów osłonek - analizę wyników pomiarów tłumienia złączy - pomiary reflektometryczne wszystkich złączy

10 - oględziny złączy w wybranej osłonie złączowej. Najistotniejszym elementem tych prac są oczywiście pomiary reflektometryczne wszystkich połączeń spawanych. Wspomniana powyżej norma zakładowa TP S.A. oraz inne zalecenia bardzo wyraźnie stwierdzają, że jako tłumienie spawu przyjmuje się wartość średnią z pomiarów wykonanych w dwu kierunkach. W przypadku pomiarów jednokierunkowych wyniki są niemiarodajne. Obserwuje się wówczas często spawy o bardzo dużym tłumieniu albo pozorne wzmocnienia zwane też podbiciami. Wzmocnienia te, patrz rysunek 6, mają charakter wzmocnień pozornych i wynikają z zasady działania reflektometru OTDR Rysunek 6 Pozorne wzmocnienia na charakterystyce reflektometrycznej a(r) włókno 2 włókno 1 w 1 >w 2 Reflektometr wprowadza impulsy światła do mierzonego włókna i mierzy wartość sygnału powracającego w funkcji upływającego czasu. Wynik pomiaru reflektometrycznego to nic innego jak raport z rejestracji poziomu mocy światła powracającego. Jeśli z jakiegokolwiek powodu reflektometr zarejestruje wzrost tego poziomu wówczas będzie taki wzrost raportował. W typowej sytuacji pomiarowej operator OTDR obserwuje zanikający wraz z dystansem i czasem sygnał. Jest to efekt rozpraszania sygnału na niejednorodnościach materiału z którego wykonane jest włókno światłowodowe. Rozpraszanie jest normalnym zjawiskiem główną składową tłumienia światłowodu. Sytuacja ulega zmianie gdy sygnał przechodzi przez połączenie dwu światłowodów. Najkorzystniejsza jest sytuacja, gdy tłumienie związane z połączeniem wynosi 0,01 db. Zdarzają się jednak sytuacje gdy w miejscu łączenia obserwuje się wzrost poziomu sygnału rozproszonego. Co powoduje to pozorne wzmocnienie? Trzeba sobie uświadomić, że wzmocnienie ma charakter pozorny i wynika nie z faktu zwiększenia mocy prowadzonej przez światłowód w miejscu łączenia włókien a z wzrostu poziomu mocy światła rozproszonego padającego na detektor reflektometru. Główną przyczyną wzrostu rozpraszania w miejscu łączenia włókien jest różnica współczynników rozpraszania w rdzeniach obu włókien. Jeśli współczynnik rozpraszania materiału z którego wykonany jest rdzeń światłowodu akceptującego światło jest wyższy niż współczynnik rozpraszania materiału z którego wykonany jest rdzeń światłowodu emitującego światło to w miejscu połączenia włókien poziom rozproszenia zwrotnego nieco wzrośnie co reflektometr zarejestruje i pokaże jako nieco wyższy poziom charakterystyki. Patrząc z przeciwnego kierunku przejściu z włókna o większym wsp. rozpraszania do włókna o mniejszym wsp. rozpraszania towarzyszyć będzie tłumienie większe niż oczekujemy. Innym ważnym czynnikiem wywołującym efekt wzmocnienia jest różnica średnic pól modowych łączonych światłowodów. Jeśli średnica pola modu światłowodu akceptującego światło jest mniejsza niż światłowodu emitującego wówczas w miejscu ich połączenia pojawi się powiększone rozpraszanie wsteczne. Jeśli pomiar wykonamy z przeciwnego kierunku wówczas możemy oczekiwać dużego, dochodzącego nawet do 2dB tłumienia. Również różnica współczynników załamania w łączonych włóknach ma wpływ na mierzone

11 jednokierunkowo tłumienie. Tłumienie wynikające z różnych średnic pól modu oraz różnych współczynników załamania przy jednokierunkowym pomiarze reflektometrycznym można oszacować z zależności 1, która jest podana w pracy [5]: 1 w1 w2 w2 n2 α 12 = 20log 10log 10log w2 w (1) 1 w1 n1 gdzie w 1 i w 2 oznaczają odpowiednio średnice pól modowych łączonych światłowodów a n 1 i n 2 współczynniki załamania rdzeni. Rysunek nr 7 pokazuje jak mierzone jednokierunkowo tłumienie spawu zależy od stosunku średnic pól modowych. Rysunek 7 Zależność tłumienia spawu od stosunku średnic pól modowych łączonych włókien 1,2 1 0,8 0,6 tłumienie [db] 0,4 0,2 0 0,8-0,2 0,85 0,9 0,95 1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25-0,4-0,6-0,8 stosunek średnic pól modowych MFD Następna formuła oraz rysunek nr 8 przedstawiają jak zależy tłumienie spawu od średnic pól modowych przy pomiarze w kierunku przeciwnym. 1 w1 w2 w1 n1 α 21 = 20log 10log 10log w2 w (2) 1 w2 n2 Rysunek 8 Tłumienie spawu przy pomiarze w kierunku przeciwnym 1,2 1 0,8 0,6 tłumienie [db] 0,4 0,2 0 0,8-0,2 0,85 0,9 0,95 1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25-0,4-0,6-0,8 stosunek średnic pól modowych MFD Jeżeli założymy, że średnice pól modowych są takie same a łączone włókna różnią się tylko współczynnikami grupowymi to związane z tym tłumienie można opisać podaną w pracy [5] zależnością :

12 n α 1 = 10log 10log (3) n gdzie 1 i 2 są względnymi różnicami współczynników załamania we włóknach emitującym i akceptującym. Rysunek nr 9 przedstawia zależność tłumienia spawu od stosunku współczynników załamania Rysunek 9 Tłumienie spawu w przypadku różnicy współczynników załamania w łączonych włóknach 1 0,8 0,6 0,4 tłumienie [db] 0,2 0 0,8-0,2 0,85 0,9 0,95 1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25-0,4-0,6-0,8-1 stosunek współczynników grupowych łączonych włókien (n1/n2) Opisane powyżej czynniki mogą się sumować i można wyobrazić sobie sytuację gdy włókno akceptujące będzie miało pole modu o małej średnicy i również większy współczynnik załamania. Będzie to skutkować bardzo silnym podbiciem charakterystyki reflektometrycznej przy pomiarze w jedną stronę i dużym tłumieniem spawu przy pomiarze w druga stronę. W takiej sytuacji jedynym sposobem pomiaru rzeczywistego tłumienia spawu jest wykonanie pomiarów w obu kierunkach i przyjęcie wartości średniej jako wartości rzeczywistej. W przypadku pomiarów z obu kierunków tłumienie połączenia spawanego opisywane jest równaniem będącym superpozycją równań 1 i 2: 1 w 1 w2 α = + s 20log (4) 2 w2 w1 a przebieg zależności tłumienia od stosunku średnic pól modowych przedstawiony jest na prezentowanym wcześniej rysunku nr Uwagi dotyczące bezpieczeństwa Wykonując czynności przygotowawcze oraz spawanie należy przestrzegać kilku prostych zasad. Pierwsza z nich mówi, że wszystkie pozostałe po obcięciu włókna kawałki światłowodów należy gromadzić i usuwać z pola roboczego. Zapobiega to dostawaniu się zanieczyszczeń do układów mechanicznych i optycznych spawarki. Niektóre przyrządy do cięcia włókna posiadają zasobnik na odpadki, który znakomicie ułatwia utrzymanie czystości. Druga zasada to unikanie bezpośredniego oglądania czoła światłowodu w trakcie czynności przygotowawczych. Jest to związane z tym, pozycjonowanie włókien związane jest najczęściej z wprowadzaniem światła laserowego o znacznej mocy do włókna. Zbliżenie czoła włókna do oka może spowodować trwałe uszkodzenie siatkówki. Trzecia z zasad zaleca unikania bezpośredniego kontaktu z elektrodami spawarki co może być przyczyną porażenia.

13 Problem ten staje się szczególnie ważny w przypadku spawarek, których elektrody są łatwo dostępne. 6. Problemy związane za spawaniem Nawet przy zapewnieniu idealnych warunków spawania i dysponowania najlepszym sprzętem oraz personelem od czasu do czasu pojawiają się w trakcie spawania problemy. Częstym przypadkiem są zgrubienia (potocznie zwane zapałkami ) na końcach włókien. Są one powodowane przez zabrudzenia lub resztki pokrycia włókien dostające się w obszar spawania. Inna przyczyną może być niewłaściwie dobrany prąd spawania. Powstawaniu zgrubień można zapobiec przez staranną obróbkę włókna, zapewnienie odpowiedniej czystości w polu operacyjnym i optymalne ustawienie parametrów spawania uwzględniające warunki środowiska. Zagięcia w miejscu łączenia włókien wynikają najczęściej z niewłaściwego pozycjonowania i są powodem podwyższonego tłumienia spawu. Powodem mogą być zanieczyszczone V-rowki lub niewłaściwie oczyszczone włókna z pozostałościami pokrycia. Innym powodem może być przemieszczenie właściwie spozycjonowanych włókien po zapaleniu łuku. Silne pole elektryczne powstające między elektrodami przyciąga włókna i powoduje ich odchylenie od pierwotnego położenia. W przypadku nierównomiernie przyciąganych włókien może to powodować powstanie zagięcia. Efekt ten występuje szczególnie wyraźnie w przypadku włókien z pokryciem węglowym, które na naszym rynku są mało znane. Niektóre spawarki posiadają funkcję pozycjonowania z zapalonym łukiem (AOA - Arc on Alignment) 1, która pozwala efekt ten zminimalizować. Innym efektem powstającym przy spawaniu jest zgrubienie w miejscu wytworzenia spoiny. Jest to związane z niewłaściwie określoną zakładką i w przypadku stosowania nowoczesnych spawarek występuje raczej rzadko. Tzw. spawy niekompletne mogą powstać gdy końce włókien nie były równoległe lub gdy prąd spawania był zbyt mały. Zastosowanie większego prądu poprawia jakość takiego spawu, jednak jego wytrzymałość mechaniczna jest mała. Zaleca się powtórzenie spawania po skorygowaniu parametrów procesu. Przewężenia włókien w obszarze spawania związane są z niewłaściwie dobranymi parametrami. Zbyt małą zakładką lub/i zbyt dużym prądem w trakcie spawania wstępnego. 6.1 Łączenie włókien typu matched cladding z włóknami typu depressed cladding W praktyce instalacyjnej często spotyka się sytuacje, kiedy łączy się różne włókna jednomodowe. Najczęściej chodzi o łączenie dawniej stosowanych włókien z depresją na granicy rdzenia i płaszcza (depressed cladding) z włóknami bez depresji (matched cladding). Inna możliwa sytuacja to łączenie włókien typu matched cladding, ale pochodzących od różnych producentów i mających niewiele się różniące średnice pól modowych oraz profile refrakcyjne. Powstaje wtedy pytanie czy można łączyć takie włókna? Wpływ różnych technologii wytwarzania włókien oraz niedopasowania pól modowych i profili refrakcyjnych był analizowany zarówno teoretycznie jak i doświadczalnie [5]. Wyniki tych badań można podsumować następująco: łączenie włókien różnych typów wiąże się z nieco podniesionym tłumieniem połączeń spawanych. Wzrost tłumienia jest jednak niewielki. Przykładowo w cytowanej pracy [5] uzyskano średnie tłumienie 0,037 db dla dwukierunkowego pomiaru reflektometrycznego (próba liczyła ok połączeń). Podobne wartości uzyskano w trakcie badań wykonanych w Laboratorium Badawczym OTO Lublin w trakcie prac związanych z wdrożeniem kabli zawierających włókna typu Jd. Należy jednak być przygotowanym na dużo 1 wspomniana wcześniej metoda RTC firmy Ericsson jest odmianą metody AOA

14 większe wartości tłumienia przy jednostronnym pomiarze reflektometrycznym czy też pojawianie się tzw. pozornych wzmocnień na charakterystyce reflektometrycznej. Zjawisko to należy uznać za normalne i nie ma ono wpływu na jakość transmisji.. Również technologia wytwarzania włókna ma bardzo ograniczony wpływ na tłumienie spawu światłowodowego i dopuszcza się łączenie włókien tego samego typu pochodzących od różnych dostawców. Oczywiście sytuacje tego typu powinny mieć charakter incydentalny i są dopuszczalne w przypadkach napraw czy rozbudowy linii. 6.2 Łączenie włókien standardowych z włóknami typu NZDF. Problem kompatybilności włókien z niezerową, przesuniętą dyspersją (NZDF- Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber) i włókien standardowych pojawia się wszędzie tam gdzie istnieje potrzeba łączenia istniejących instalacji kablowych z nowobudowanymi, bazującymi na włóknach NZDF. Włókna NZDF takie jak Lucent Truewave, Corning LEAF czy Alcatel Teralight zostały zaprojektowane do długodystansowej transmisji wielofalowej w zakresie okna 1550nm. Aby spełnić wymagania w zakresie parametrów dyspersyjnych oraz tzw. średnicy obszaru efektywnego włókna te posiadają bardziej niż włókna standardowe złożony profil współczynnika załamania oraz mniejszą średnicę pola modu. Tabela nr 1 zawiera informacje o średnicach pól modowych różnych typów włókien: Tabela 1 Średnice pól modowych różnych typów włókien Typ włókna Średnica pola modu dla dł. fali 1550 nm SMF (najczęściej spotykane wartości) 9,6 µm 11,2 µm NZDF TrueWave RS 7,8 µm-9,0 µm Corning LEAF 9,2µm 10 µm Alcatel Teralight 8,8 µm- 9,7µm Wymienione czynniki wpływają na sposób spawania tych włókien oraz na parametry połączeń spawanych. Łączenie włókien typu NZDF z włóknami standardowymi skutkuje wzrostem tłumienia połączeń spawanych. Wzrost ten wynika głównie z różnic pól modowych włókien i jest tym większy im większe są te różnice. W skrajnych przypadkach [6] średnie tłumienie ( dwustronny pomiar reflektometryczny) może dochodzić do 0,15 db z niepewnością pomiaru 0,056 db przy poziomie ufności 95%. W takiej sytuacji należy rozważyć optymalizację procesu spawania poprzez zmianę standardowych ustawień spawarki (czasu i prądu spawania) prowadzącą do wytworzenia w miejscu łączenia włókien odpowiedniego obszaru przejściowego co umożliwia uzyskiwanie tłumienia połączeń spawanych mniejszego niż 0,08 db. Praca [8] zawiera szczegółowe informacje na ten temat. 6.3 Tzw. Zimne spawy We wczesnym okresie rozwoju techniki spawania określenie zimny spaw stosowano do opisania nieprecyzyjnego połączenia włókien. Duże tłumienie spawów i mała wytrzymałość związane były ze zbyt niską temperaturą w trakcie spawania wynikającą ze zbyt małej mocy łuku elektrycznego. Współcześnie, tego typu zjawiska występują rzadko bowiem spawarki nowego typu mają wbudowane mechanizmy zapobiegania im. Włókna nie pękają w miejscu łączenia ponieważ szkło jest tam stopione i wymieszane wzajemnie. Proces topienia powoduje zalanie mikroszczelin powstających w trakcie preparatyki włókien i podniesienia

15 wytrzymałości spawu. Dlatego jeśli włókno podczas próby rozciągania pęka dzieje się to najczęściej w innym miejscu niż punkt łączenia. 6.4 Awaryjne łączenie włókien Zdarza się w sytuacjach awaryjnych, że trzeba łączyć włókna bez kontroli poziomu mocy. Skazani wówczas jesteśmy na pozycjonowanie na płaszcz z użyciem V-rowków. Włókna układają się w V-rowku zależnie od naprężeń wewnętrznych. Dobrą praktyką jest w takiej sytuacji chwytanie włókien w miejscu odległym od obszaru łączenia. 6.5 Spawanie taśm światłowodowych Wcześniej czy później pojawi się na naszym rynku nieobecna dotąd technologia wytwarzania kabli optotelekomunikacyjnych wykorzystująca taśmy światłowodowe a wraz z nią odpowiednia technika łączenia. Taśma światłowodowa to połączone fabrycznie (bok do boku) włókna światłowodowe. Możliwe jest łączenie 4, 6 lub 12 włókien. Taśmy dają możliwość wytwarzania kabli o dużych krotnościach (do 1000). Spawanie taśm światłowodowych wiąże się z nieco innymi problemami niż łączenie pojedynczych włókien. Pokrycie zdejmowane jest raczej przy użyciu metody termicznej niż wyłącznie mechanicznej. Cięcie oraz spawanie wykonuje się na wszystkich włóknach równocześnie. Jakość połączeń spawanych jest dużo bardziej niż w przypadku łączenia pojedynczych włókien uzależniona od parametrów włókna. Wstępne pozycjonowanie włókien poprzedzające spawanie bazuje na zewnętrznej krawędzi włókna i nie jest możliwe korygowanie niecentryczności rdzenia z wykorzystaniem techniki PAS. Stad większe wymagania w odniesieniu do geometrii włókna. Inny istotny parametr to tzw. promień krzywizny włókna. Jeśli jest on zbyt mały może być przyczyną poprzecznego przesunięcia osi światłowodów i związanego z tym podwyższonego tłumienia. Rysunek 10 Spawanie taśm światłowodowych rozkład temperatur w łuku elektroda elektroda taśma światłowodowa Ze względu geometrię taśm światłowodowych bardzo ważne jest odpowiednie ich ułożenie względem elektrod spawarki tak aby zapewnić jednakowe warunki spawania wszystkim włóknom wchodzącym w skład taśmy. 7. Podsumowanie W artykule przedstawiono tematykę łączenia włókien światłowodowych metodą spawania. Omówiono czynniki wpływające na jakość połączeń spawanych, różne metody pozycjonowania włókna i różne warianty procesu spawania. Poruszona została problematyka oceny jakości połączeń spawanych oraz łączenia włókien różnego typu jak również spawanie taśm światłowodowych. Należy podkreślić, że coraz bardziej technicznie wyrafinowane i

16 obdarzone elementami sztucznej inteligencji spawarki światłowodowe znakomicie ułatwiają pracę. Potrafią korygować niedoskonałości technologiczne włókien czy błędy operatora. Mimo to odpowiednio przeszkolony personel, świadom czynników wpływających na jakość połączeń spawanych stanowi gwarancję dobrego wykonawstwa linii optotelekomunikacyjnych. Takim osobom dedykowany jest ten artykuł. 8. Bibliografia 1. F.Kapron, C.Kozikowski i R.Crotts, Mode Field Diameter Effects on OTDR Splice measurements 2. Mettler, Stephen C., Monte-Carlo Analysis of the Effect of Mode Field Diameter Mismatch on Single-mode Fiber Splices 3. J. Schistle i M.Stammer, Fishing for the Perfect Splice telephone Engineer&Mangement, Febr 1, Single Fiber Fusion Splicing, Corning Application Note AN W.Zhang, R.Yang i F.Schank, Effect of parameter differences on the fiber splice loss and aesy bidirectional OTDR measurement in the field instalation, IWCS nr 43, Mary Adcox, Splicing and Fiber Assembly Compatibility for Non-Zero Dispersion- Shifted Fiber and Standard Single-Mode Fiber, NOC/EC Marek Ratuszek, Zbigniew Zakrzewski i inni Wpływ warunków klimatycznych na proces spawania i parametry spawów jednomodowych światłowodów telekomunikacyjnych różnych typów 8. Marek Ratuszek, Jacek Majewski i inni, Badanie połączeń spawanych światłowodów NZDF typu TrueWave. 9. ZN-96 TP S.A. 002, Linie optotelekomunikacyjne. Ogólne wymagania techniczne 10. ZN-96 TP S.A. 006, Złącza spajane światłowodów jednomodowych. Wymagania i badania