SPAWANIE RÓŻNYCH TYPÓW TELEKOMUNIKACYJNYCH ŚWIATŁOWODÓW JEDNOMODOWYCH STOSOWANYCH W SIECIACH TELEKOMUNIKACYJNYCH

Transkrypt

1 SPAWANIE RÓŻNYCH TYPÓW TELEKOMUNIKACYJNYCH ŚWIATŁOWODÓW JEDNOMODOWYCH STOSOWANYCH W SIECIACH TELEKOMUNIKACYJNYCH dr inż. Marek Ratuszek, mgr inż. Zbigniew Zakrzewski, mgr inż. Jacek Majewski, mgr inż. Józef Zalewski, mgr inż. Małgorzata Ratuszek INSTYTUT TELEKOMUNIKACJI ATR BYDGOSZCZ Bydgoszcz ul. Prof. S. Kaliskiego 7 Streszczenie Przedstawiono porównanie i analizę tłumienia spawów szacowanych na podstawie obrazów luminescencji gorących włókien podczas spawania i tłumienie tychże spawów mierzonych metodą reflektometryczną. Zaprezentowano obrazy termicznej luminescencji spawanych światłowodów i ich profile odpowiadające zmianom koncentracji domieszki i względnego współczynnika załamania. Oszacowano współczynniki dyfuzji Ge w SiO 2 w temperaturze 2000 o C. Zaprezentowano wyniki optymalizacji spawania światłowodów ze standardową charakterystyką dyspersyjną (Siecor, AT&T-Lycom), z obniżonym płaszczem (depressed cladding - AT&T-Lycom) oraz z przesuniętą dyspersją (AT&T-Lycom). Optymalizacja dotyczyła spawania wszystkich kombinacji w/w spawów. 1. Wprowadzenie Różne domieszki (GeO 2, F), ich różne poziomy koncentracji w rdzeniu i płaszczu światłowodu powodują zmiany współczynnika załamania. Wyższy poziom domieszki GeO 2 w rdzeniu prowadzi do większej różnicy współczynników załamania pomiędzy rdzeniem i płaszczem, do większej apertury numerycznej NA i do mniejszej średnicy pola modu MFD. W miejscu czołowego złączenia dwóch odcinków światłowodów występują straty energii optycznej : 2 2 ω1 + ω2 A= 20log (1) 2 ωω 1 2 gdzie : A - tłumienność połączenia (spawu) dwóch światłowodów [db], ω 1, ω 2 - promienie pól modowych łączonych światłowodów. W przypadku łączenia światłowodów o jednakowych średnicach pól modowych MFD, tłumienność spawu zgodnie z wyrażeniem (1) równa się zeru - zakładając, że łączenie jest 257

2 centryczne. W praktyce tłumienność spawów, przy założeniu centryczności połączenia i dopasowania MFD, zależy również od różnicy w aperturze numerycznej NA oraz rodzaju i koncentracji domieszki w płaszczu i rdzeniu [1,2]. Spawy o małej tłumienności i dobrej reflektancji (spełniające normy TP S.A.) uzyskuje się wtedy, gdy na skutek odpowiedniego rozdyfundowania domieszek w łączonych rdzeniach uzyska się odpowiedni obszar przejściowy [1] - Rys. 1. Uzyskanie optymalnego obszaru przejściowego jest funkcją czasu i prądu spawania, dla określonych warunków klimatycznych spawania [3]. Rys. 1 Schematyczne przedstawienie rozdyfundowania domieszek i powstanie obszaru przejściowego. Badanie spawania jednomodowych włókien światłowodowych pochodzących od różnych producentów, co związane jest najczęściej z różnymi wartościami i profilami współczynnika załamania w płaszczu i rdzeniu, niesie wiele problemów badawczych, jak również bardzo szerokie zastosowanie tych badań w praktyce połączeń spawanych. Istniejące metody spawania, łącznie z unikalną, bazującą na teorii mikrozgięć metodą firmy Ericcson zastosowaną w spawarce FSU 925 RTC, nie dają możliwości uzyskiwania powtarzalnych, w zakresie wymagań, wyników tłumienia i reflektancji spawów w/w rodzajów włókien. Wymagałoby to, przy każdym procesie spawania różnych światłowodów, opracowania i wymiany oprogramowania dla trybu automatycznego. Np. Ericcson uczynił to tylko dla połączeń światłowodów domieszkowanych erbem ze standardowymi. Oprogramowanie takie jest bardzo drogie, rzędu kilkuset milionów starych złotych za jeden program. 258

3 Optymalizacja warunków spawania, a co za tym idzie uzyskanie odpowiedniego obszaru przejściowego, dla kilku typów najczęściej stosowanych w sieciach telekomunikacyjnych jednomodowych włókien światłowodowych była celem tej pracy. 2. Typy i parametry badanych włókien światłowodowych Do badań użyto czterech rodzajów włókien jednomodowych stosowanych przez polskich producentów. Parametr Jednostka A (standard) B (standard) Oznaczenie C (depresyjny płaszcz) D (przesunięta dyspersja) Producent kabla Ożarów S.A. OTO - Lublin OTO- Lublin OTO- Lublin Producent włókna Siecor AT&T-Lycom AT&T-Lycom AT&T-Lycom NA * 0.13* 0.17* MFD λ = 1310 nm λ = 1550 nm Dyspersja chromatyczna nm nm * wartości szacowane µm ps nm km 9.3 ± ± ± ± (1550nm) W światłowodach A, B, D rdzeń jest domieszkowany GeO 2 a płaszcz stanowi czysty SiO 2. W światłowodzie C (depresyjny płaszcz) rdzeń jest z czystego SiO 2 a płaszcz jest domieszkowany fluorem [4]. Różnice w aperturach numerycznych NA i średnicach pola modu MFD świadczą o różnych koncentracjach GeO 2 w rdzeniach światłowodów A, B, D. Wyższy poziom domieszki GeO 2 w rdzeniu prowadzi do większej różnicy współczynników załamania pomiędzy rdzeniem i płaszczem, do większej apertury numerycznej NA i do mniejszej średnicy pola modu MFD [1]. 259

4 3. Dyfuzja domieszek i tworzenie się obszaru przejściowego Uzyskanie optymalnego obszaru przejściowego związane jest z rozdyfundowaniem domieszki rdzenia lub płaszcza spawanych światłowodów. Najczęściej stosowaną domieszką jest GeO 2. Znajomość procesów dyfuzji GeO 2 w SiO 2, w temperaturze spawania 2000 C, pozwoliła na optymalizację warunków spawania różnych typów światłowodów. 3.1 Dyfuzja Ge w SiO 2 podczas procesu spawania Do oceny procesów dyfuzji Ge użyto światłowodu jednomodowego o NA = i zawartości germanu w rdzeniu C mol GeO % mol =. oraz pręta kwarcowego o średnicy 130µm. Współczynniki dyfuzji liczono na podstawie zmian, wzdłuż spawu, profili luminescencji spawanych w/w włókien. Temperatura spawu wynosiła 2000 o C [6]. Zmieniono czas II etapu spawania od 1 do 6 sekund - rys. 2. C GeO 2 [% mol/mol] 10 5 t=1s t=6s [µm] Rys. 2 Przykładowy profil intensywności luminescencji dla t = 6 sekund. Rys. 3 Zmiany intensywności luminescencji i przyporządkowania im koncentracji Ge w SiO 2 dla różnych czasów spawania w funkcji odległości od czoła spawu. 260

5 Założono liniową zależność termoluminescencji od koncentracji Ge w SiO 2 [5,6]. Krzywe zmian intensywności świecenia dla różnych czasów spawania w funkcji odległości od czoła spawu przedstawiono na rys. 3. Do obliczeń współczynników dyfuzji przyjęto poniżej przedstawione warunki i parametry. Dyfuzja odbywa się z nieograniczonego źródła domieszki tj. N(0,t)=N o ; Koncentracja początkowa we wnętrzu pręta kwarcowego jest mała w porównaniu z N o. Zatem koncentrację Ge w pręcie kwarcowym można wyrazić następującym wzorem [7] : (, ) N x t x = Noerfc (2) 2 Dt Przyjęto gęstość SiO 2 ρ=2. 20 g 2 cm. Zawartość C mol GeO % mol =. odpowiada koncentracji Ge w SiO 2 - N o = 2.27x10 21 cm -3. Znając N o, x, t, szacując N(x,t) na podstawie luminescencji oszacowano wartości współczynników dyfuzji D germanu w SiO 2 w temperaturze 2000 o C. Współczynniki liczono dla odległości x = 7.5 µm i x = 12.5 µm od czoła spawu. Uzyskano wartości zmieniające się w zakresie 7 6 D= cm s 2. Większe wartości współczynników uzyskano dla mniejszych czasów spawania i mniejszych odległości od czoła spawu. Współczynniki dyfuzji domieszki mogą być wyrażone następującym wyrażeniem [8]: Ea D= D exp kt (3) 261

6 gdzie : D - współczynnik dyfuzji dla T =, E a - energia aktywacji dyfundującej w SiO 2 domieszki. Przyjmując teoretyczne wartości E a [8] dla domieszek międzywęzłowych EaI 1 ev i domieszek dyfundujących przez podstawienie EaS 3. 0 ev, w SiO 2, obliczono D. 2 cm Dla E as : D = , dla EaI : D = s Zbliżoną do wartości teoretycznej D cm = s E ai,co oczywiście odpowiada temperaturze 2000 o C.. [8] jest obliczona wartość D dla 3.2 Błędy spawarek Rozdyfundowanie domieszek z rdzenia o jej większej koncentracji do płaszcza i do rdzenia światłowodu, w którym ta koncentracja jest mniejsza, jest przyczyną błędnej oceny tłumienności spawu szacowanej w nowoczesnych spawarkach. Spawarka liczy tłumienność spawu na podstawie gorących obrazów dopasowania średnicy pól modowych MFD spawanych światłowodów. Często nieoptymalny obszar przejściowy daje obraz dobrego dopasowania pól modowych MFD i w konsekwencji spawarka zaniża tłumienność spawu. Również tzw. przespawy powodują zaniżenie tłumienności spawów liczonych przez spawarkę. Weryfikację stanowią tutaj pomiary np. reflektometrem w dwóch kierunkach z uwzględnieniem znaków. 4. Wyniki optymalizacji warunków spawania Do spawania użyto światłowodów o parametrach przedstawionych w części 2 i oznaczonych A, B, C, D. Stosowano spawarkę FSU 925 RTC. Pomiary reflektometryczne 262

7 wykonywano reflektometrem EXFO FCS-100 w dwóch kierunkach dla λ = 1310 nm i λ = 1550 nm z uwzględnieniem znaków. W przypadku spawania światłowodów A, B, C w różnych kombinacjach połączeń nie stwierdzono konieczności optymalizacji warunków spawania. Stosowano tryb automatyczny program 1 o następujących parametrach : t 1 = 0.3 sek., t 2 = 2 sek., t 3 = 2 sek., I 1 = 10,5 ma, I 2 = 16.3 ma, I 3 = 12.5 ma. Wyniki tłumienności (wartości średnie kilku pomiarów) : A-B spawarka 0.01 db, reflektometr = 0.08 db λ = 1310 nm A-C spawarka 0.08 db, reflektometr = 0.1 db λ = 1310 nm B-C(rys.4) spawarka 0.02 db, reflektometr = 0.1 db λ = 1310 nm Rys. 4 Profil intensywności luminescencji płaszczy podczas spawania - prawy C (domieszka fluoru w płaszczu), lewy B. W przypadku spawania światłowodów A, B, C ze światłowodem D (przesunięta dyspersja), dla trybu automatycznego uzyskano następujące wyniki : A-D(rys. 5) spawarka 0.02 db, reflektometr = 0.30 db λ = 1310 nm = 0.19 db λ = 1550 nm 263

8 B-D spawarka 0.02 db, reflektometr = 0.25 db λ = 1310 nm = 0.14 db λ = 1550 nm C-D(rys.6) spawarka 0.06 db, reflektometr = 0.22 db λ = 1310 nm = 0.12 db λ = 1550 nm D-D spawarka 0.02 db, reflektometr = 0.05 db λ = 1310 nm = 0.02 db λ = 1550 nm Rys. 5 Obraz termoluminescencji spawu : prawy D - lewy A. Rys. 6 Obraz termoluminescencji spawu: prawy C - lewy D. 264

9 Przedstawione wyniki, oprócz spawów D-D, nie spełniają normy TP S.A. Należy podkreślić, że dokonane w trybie automatycznym przespawy wykonanych połączeń nie wniosły istotnych zmian w wartości tłumienności spawów. Zatem, w praktyce, optymalizację obszaru przejściowego między światłowodami należy przeprowadzać w jednym procesie spawania dobierając odpowiednie czasy i prądy w programie spawania. Wyniki tłumienności spawów światłowodów A, B, C ze światłowodem D (przesunięta dyspersja) dla programu optymalizowanego : A-D spawarka 0.01 db, reflektometr = db λ = 1310 nm = db λ = 1550 nm B-D spawarka 0.01 db, reflektometr = db λ = 1310 nm = db λ = 1550 nm C-D spawarka 0.01 db, reflektometr = db λ = 1310 nm = db λ = 1550 nm Wyniki te spełniają normy TP S.A. Wnioski Uzyskanie optymalnego obszaru przejściowego miedzy łączonymi różnymi światłowodami, co oznacza otrzymanie spawów spełniających normy, jest możliwe w jednym procesie spawania (bez przespawów ). Oznacza to odpowiedni dobór prądów i czasów w programie spawania. Dobór tych prądów i czasów przy różnych warunkach klimatycznych podczas spawania stanowi oddzielny problem i będzie kontynuacją wyżej przedstawionych badań. 265

10 Literatura 1. Zheng, The Real Time Control Technique for EDF Splicing, Ericsson Review pp. 1 24, J. Majewski, M. Ratuszek, Z. Zakrzewski, Tłumienie spawów światłowodów o różnych średnicach rdzeni i aperturach numerycznych, IV Konferencja Naukowa - Technologia i zastosowanie Światłowodów, Krasnobród w druku. 3. J. Petykiewicz, B. Pura, A. Tadeusiak, Badania strukturalne spojeń światłowodów, IV Konferencja Naukowa - Technologia i zastosowanie Światłowodów, Krasnobród w druku. 4. Majewski, Teoria i projektowanie światłowodów, WNT, Warszawa Pankove J. I., Zjawiska optyczne w półprzewodnikach, WNT, 1974, pp Materiały firmy Ericsson, Praca zbiorowa, Procesy technologiczne w elektronice półprzewodnikowej, WNT, 1980, pp Wolf H. F., Półprzewodniki, WNT, 1975, pp