Wpływ warunków klimatycznych na proces spawania i parametry spawów światłowodów telekomunikacyjnych

Transkrypt

1 A-8/1.9 Marek Ratuszek, Zbigniew Zakrzewski, Jacek Majewski, Stefan Stróżecki, Józef Zalewski Instytut Telekomunikacji ATR Bydgoszcz Tadeusz Konefał, Witold Kula TP S.A. Tarnobrzeg Wpływ warunków klimatycznych na proces spawania i parametry spawów światłowodów telekomunikacyjnych Przedstawiono wyniki pomiarów i analizę wpływu warunków klimatycznych (t=1 3 C; H=3 9%) na proces spawania i parametry spawów standardowych jednomodowych światłowodów telekomunikacyjnych (G.65) i światłowodów z przesuniętą dyspersją DS (G.653). Zaprezentowano wyniki pomiarów tłumienia, badania dyfrakcji rentgenowskiej i obserwacje mikroskopowe spawów otrzymanych w różnych warunkach klimatycznych. Przedstawiono wyniki optymalizacji warunków spawania światłowodów i DS. 1. Wstęp Rozbudowa sieci światłowodowej w Polsce wiąże się z koniecznością łączenia ze sobą różnych typów włókien światłowodowych pochodzących od różnych producentów, co często oznacza, że światłowody wykonano różnymi technologiami. Do najczęściej łączonych ze sobą światłowodów jednomodowych należą, oprócz standardowych (G.65) z zerem dyspersji dla fali 131, włókna z przesuniętą dyspersją DS 155 (G.653) oraz włókna z przesuniętą dyspersją DS i standardowe. W ostatnim przypadku uzyskanie spawu odpowiadającego normie TP S.A. : tłumienie.8db, reflektancja 6dB [1] jest bardzo trudne. Dodatkową trudność wprowadza fakt wykonywania, w praktyce, spawów w różnych warunkach klimatycznych tj. przy różnej wilgotności i temperaturze otoczenia. Optymalizacja warunków spawania światłowodów różnych typów z uwzględnieniem warunków klimatycznych, tak by spawy wykazywały jak najmniejsze tłumienie, była celem tej pracy. W tym celu wykonano ponad 16 spawów. Oddzielny problem stanowi poszukiwanie przyczyn powstawania w spawie niejednorodności strukturalnych, które mogą powodować pogorszenie właściwości transmisyjnych ; mechanicznych jak i starzeniowych []. Również próbę takich badań przedstawiono w tej pracy. Pracę wykonano w ramach projektu badawczego Nr 8T11D613 finansowanego przez Komitet Badań Naukowych w latach

2 Typy i parametry spawów włókien światłowodowych, typy spawarek, warunki klimatyczne procesu spawania Do badań użyto sześciu rodzajów światłowodów jednomodowych tabela 1. Tabela 1 Typ Jed n. () OVD () MCVD () VAD () OVD Depres. Płaszcz MCVD Przes. dyspers. MCVD Parametr Siecor Fujikura Optical AT&T Fibres NA * *.13 *.16 MFD µm. (Petermann II) λ = ± ± ± ± ± λ = a µm 8.3 ** 9.18 ** 8.5 ** 8.3 ** 9.17 ** 5.65 ** * wielkości szacowane, ** pomiar, OVD wykonano technologią Outside Vapour Deposition, MCVD wykonano technologią Modified Chemical Vapour Deposition, VAD wykonano technologią Vapour Axial Deposition. Rys. 1 Profile intensywności promieniowania rdzenia światłowodów : a) Siecor (OVD); b) -Optical Fibres (OVD). Używano trzech typów spawarek : FSU 95RTC-Ericsson, F-3S-Fujikura i RXS76-Siemens. Badania wykonano w warunkach klimatycznych odpowiadających zmianom t=1 3 C i H=3 9%. Większość spawów wykonano w temperaturze t=19 3 C i przy wilgotności powietrza H=3 4%. 3. Wyniki pomiarów tłumienia spawów dla programów automatycznego spawanie standardowych światłowodów jednomodowych dla t=19 3 C i H=3 4%. A. Ericsson FSU 95RTC średnia z minimum dwóch prób spawania dla każdej kombinacji stosowanych światłowodów. Pomiar reflektometryczny w dwóch kierunkach dla λ=131 i λ=155 reflektometrem EXFO FCS1. Światłowody (G.65), w tym z obniżonym płaszczem, różnych firm spawane między sobą wykazywały tłumienie spawów w zakresie :

3 A-8/1.9 A 131 =.3 db; A 155 =.45dB. Spawy spełniają wymogi na tłumienie (reflektancji nie zauważono). Optymalizacji warunków spawania wymagają łączenia światłowodów standard i DS, gdyż ich tłumienie nie spełnia wymagań tabela. Tabela. Wyniki spawania światłowodów DS. DS AT&T λ=131 λ=155 Siecor Fujikura Optical Fibres Depres. płaszcz DS Przesun. Dyspersja db db db db db db Charakterystyczne jest większe tłumienie dla λ=131 niż dla λ=155 w przypadku łączenia światłowodów znacznie różniących się średnicami rdzeni i aperturami numerycznymi co oznacza również znaczne różnice w rozpraszaniu wstecznym. W przypadku łączenia światłowodów podobnych typów () jest odwrotnie co jest zrozumiałe, gdyż dla λ=155 rośnie średnica pola modu MFD. B. Fujikura F-3S średnia z minimum dwóch prób spawania pomiar jak w pkt A. Podobnie jak w pkt A. standardowe światłowody jednomodowe, łącznie ze światłowodem z obniżonym płaszczem, spawały się bezproblemowo we wszystkich kombinacjach wykazując średnie tłumienie : A 131 =.35 db; A 155 =.5 db. Wyniki tłumienia spawów DS tabela 3. C. Siemens RXS 76 średnia z minimum pięciu prób spawania. W tym przypadku stosowano trzy rodzaje włókien światłowodowych : 1. Siecor,., 3. DS AT&T. Dla łączenia światłowodów (Siecor i ) uzyskano wyniki : A 131 =.7 db; A 155 =.1 db. W przypadku łączenia Siecor i DS : A 131 =.37 db; A 155 =.4 db.

4 Tabela 3. Wyniki tłumienia spawów światłowodów DS (spawarka Fujikura F-3S). DS AT&T λ=13 1 λ=15 5 Siecor Fujikura Optical Fibres Depres. płaszcz DS Przesun. Dyspersja standard db db db db db db Optymalizacja spawania światłowodów z przesuniętą dyspersją DS i standardowych dla t=19 3 C i H=3 4%. A. Stosując spawarkę RXS 76-Siemens oraz modyfikując jej program dla parametrów spawania zasadniczego otrzymano wyniki tłumienia spoin przedstawione na rys. a d pomiar reflektometryczny w dwóch kierunkach dla λ=131 i λ=155. Zmieniono czas i prąd spawania zasadniczego w zakresie t=5 1 sek. i I=1 ma. A=f(I) λ = 133 a) I [ma] A[dB] 1,69 11,41 1,38 13,34 14,5,34 15,33 16,4 17,4 18,8 19,5,1 A=f(I) λ = 155 b) I [ma] A [db] 1,38 11, 1,4 13,19 14,5,18 15,1 16,4 17,31 18,14 19,15,17 A [db] A [db],8,6,4,,5,4,3,,1 t=5s I [ma] t=5s I [ma]

5 A-8/1.9 A=f(t) λ = 131 c) t [s] A [db] 5,1 6,19 7,39 8,51 9, 1,1 A=f(t) λ = 155 d) t [s] A [db] 5,17 6,16 7,3 8,31 9,14 1,1 A [db] A [ma],6,4,,4,3,,1 I=mA t [s] I=mA t [s] Rys. Zmiany tłumienia spawów światłowodów i DS w funkcji czasów i prądów spawania. W zakresie możliwych zmian czasów i prądów dla spawania zasadniczego spawarki RXS-76 nie udało się uzyskać tłumienia spawów odpowiadającego wymaganiom A.8 db. Zwiększenie czasów i prądów spawania powoduje, w określonych zakresach zmian rys., zmniejszenie tłumienia spawów. B. Stosując spawarkę FSU 95RTC oraz modyfikując jej program spawania w trzech etapach otrzymano spoiny DS- odpowiadające wymaganiom normy TP S.A. tj. A.8 db tabela 4. Tabela 4 DS AT&T λ=131 λ=155 Siecor Fujikura Optical Fibres db DB db db Optymalizacja, naszym zdaniem, polega na uzyskaniu odpowiedniego obszaru przejściowego pomiędzy różniącymi się NA i MFD światłowodu [3,4] rys.3,4. Bez uzyskania tego obrazu tłumienie spawu spełnia nierówność : gdzie : 1 ω +ω = log ω ω 1 A (1) A tłumienie połączenia (spawu) dwóch światłowodów [db],

6 ω 1, ω - średnice pól modowych łączonych światłowodów. Dla DS- teoretyczna wielkość wynosi A.5 db. Rys. 3 Obraz termoluminescencji gorących spawów światłowodów DS (prawy) -Siecor (lewy). Rys. 4 Mikroskopowy obraz spawu rdzenia światłowodu DS (lewy) -Siecor spaw nieoptymalizowany. 4. Wyniki pomiarów tłumienia spawów standardowych światłowodów jednomodowych oraz światłowodów i DS uzyskanych w niekorzystnych warunkach klimatycznych Stosowano spawarkę RXS76. Wyniki pomiarów są średnią z minimum pięciu prób spawania w różnych warunkach klimatycznych pomiar reflektometryczny. Uzyskano następujące wyniki dla spawów światłowodów Siecor i : dla t = 13 C i H = 55% : A 131 =.9 db; A 155 =.13 db. dla t = 3 C i H = 85% : A 131 =.1 db; A 155 =.7 db. Zauważalny jest wzrost tłumienia, przede wszystkim na skutek wzrostu wilgotności otoczenia porównanie pkt. 3.

7 A-8/1.9 Uzyskano następujące wyniki dla spawów światłowodów Siecor i DS : dla t = 1 C i H = 5% : A 131 =.41 db; A 155 =. db. dla t = 3 C i H = 9% : A 131 =.44 db; A 155 =.7 db. 5. Badania strukturalne spoin Badanie struktury przeprowadzono metodą dyfrakcji rentgenowskiej na sześciu spawach i DS otrzymanych w warunkach t=1 3 C i H=35 9%. Nie stwierdzono [] wtrąceń odrębnych od struktury amorficznej SiO. 6. Wnioski Spawanie światłowodów jednomodowych (G.65) wykonuje się bezproblemowo dla t=19 3 C i H=3 4%, niezależnie od technologii wykonania światłowodów. Podwyższenie wilgotności powoduje, że przy stosowaniu standardowych programów spawania spoiny wykazują tłumienie znacznie większe od.8 db. Podczas standardowego spawania światłowodów (G.65) i DS (G.653) uzyskuje się tłumienie spawów rzędu.3 db, możliwa jest jednak korekcja w etapach spawania tak, aby uzyskać odpowiedni obszar przejściowy między światłowodami różniącymi się NA i MFD i uzyskać tłumienie spawu.8 db dla t=19 3 C i H=3 4%. Podziękowanie Autorzy dziękują dyrektorowi Bydgoskiej Fabryki Kabli mgr inż. Janowi Wieluńskiemu oraz kierownictwu laboratorium światłowodowego BFK za umożliwienie i pomoc w pomiarach parametrów włókien światłowodowych. Literatura 1. ZN 96 TP S.A.. J. Petykiewicz, B. Pura, A. Tadeusiak, Badanie strukturalne spoin światłowodowych, IV Konferencja Naukowa Technologia i Zastosowanie Światłowodów, Krasnobród J. Majewski,, M. Ratuszek, Z. Zakrzewski, Tłumienie spawów światłowodów o różnych średnicach rdzenia i aperturach numerycznych, IV Konferencja Naukowa - Technologia i Zastosowanie Światłowodów - Krasnobród X 1996r., Materiały konferencyjne, Tom 1, str W. Zheng, Loos Estimation for Fusion Splices of Singlemode Fibres, Fiber Optic Components and Reliability, Vol. 158, pp , 1991.