Problemy spawania telekomunikacyjnych jednomodowych włókien światłowodowych stosowanych w Polsce i pochodzących od różnych producentów

Transkrypt

1 C8.12 Marek Ratuszek, Zbigniew Zakrzewski, Jacek Majewski, Józef Zalewski Instytut Telekomunikacji ATR w Bydgoszczy, Bydgoszcz Problemy spawania telekomunikacyjnych jednomodowych włókien światłowodowych stosowanych w Polsce i pochodzących od różnych producentów Przedstawiono porównanie i analizę tłumienności spawów szacowanych na podstawie obrazów luminescencji gorących włókien i tłumienności tychże spawów mierzonych metodą reflektometryczną. Zaprezentowano obrazy termicznej luminescencji spawanych światłowodów, profile luminescencji odpowiadające zmianom koncentracji domieszki i względnego współczynnika załamania w płaszczu i rdzeniu, oraz obrazy analizy przestrzennej luminescencji spawów. Przedstawiono wyniki optymalizacji spawania światłowodów ze standardową charakterystyką dyspersyjną (Siecor, AT&TLycom), z obniżonym płaszczem (depressed cladding AT&TLycom) oraz z przesuniętą dyspersją (AT&T Lycom). Optymalizacja dotyczyła spawania wszystkich kombinacji w/w spawów. 1. Wstęp 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. Intensywnie rozbudowywana w Polsce sieć światłowodowa narzuca konieczność łączenia ze sobą różnych typów włókien światłowodowych pochodzących od różnych producentów. Najczęściej są to włókna z zerem dyspersji dla fali 1310 nm, z przesuniętą dyspersją 1550 nm oraz z płaską dyspersją dla 1310 i 1550 nm. Każde z tych włókien może pochodzić od różnego producenta. Zatem kombinacji połączeń spawanych jest bardzo dużo. Norma TP S.A. nie wyróżnia typów włókien jednomodowych, określa tylko tłumienność i reflektancję połączeń spawanych. Norma połączenia światłowodów jednomodowych powinny być tak wykonane, aby ich tłumienność nie przekroczyła wartości : 0.08 db dla połączeń spajanych, określona jako wartość średnia (z uwzględnieniem znaków) z pomiarów w obu kierunkach transmisji, gdy liczba spojeń >10; 0.15 db dla połączeń spajanych, określona jako wartość średnia (z uwzględnieniem znaków) z pomiarów w obu kierunkach transmisji, gdy liczba spojeń 10. Reflektancja złączy spajanych nie powinna być mniejsza niż 60 db. W praktyce połączeń spawanych światłowodów jednomodowych pochodzących od tego samego producenta lub tym bardziej od różnych producentów i optymalizowanych (dyspersja) dla II i III okna optycznego, uzyskanie parametrów spawów wymienionych w normie jest bardzo trudne.

2 398 Istniejące metody spawania, łącznie z unikalną, bazującą na teorii mikrozgięć metodą firmy Ericsson zastosowaną w spawarce FSU 925 RTC, nie dają możliwości uzyskiwania powtarzalnych, w zakresie wymagań, wyników tłumienności i reflektancji spawów różnych typów światłowodów. Wymagałoby to opracowania i wymiany oprogramowania spawarek z uwzględnieniem kombinacji połączeń różnych światłowodów. Ericsson uczynił to np. dla połączeń spawanych światłowodów domieszkowanych erbem EDF ze światłowodami standardowymi. Oprogramowanie takie jest bardzo drogie, rzędu kilkuset milionów starych złotych. Optymalizacja warunków spawania dla kilku typów najczęściej stosowanych w Polsce 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&TLycom AT&TLycom AT&TLycom 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) 3. Dyfuzja domieszek i tworzenie się obszaru przejściowego W miejscu czołowego złączenia dwóch odcinków światłowodów występują straty energii optycznej : A= 20 log ω ω 2ω1ω 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 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 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]. (1)

3 399 C8.12 Rys. 1 Schematyczne przedstawienie rozdyfundowania domieszek i powstanie obszaru przejściowego. 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]. gdzie : MFD= 2a ln[ ka( NA )] a średnica rdzenia, k = 2π/λ liczba falowa. 3.1 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 wykonywano reflektometrem EXFO FCS100 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) : AB spawarka 0.01 db, reflektometr = 0.08 db λ = 1310 nm AC spawarka 0.08 db, reflektometr = 0.1 db λ = 1310 nm BC (rys.2) spawarka 0.02 db, reflektometr = 0.1 db λ = 1310 nm (2)

4 400 Rys. 2 Profil intensywności luminescencji płaszczy podczas spawania prawy C (domieszka fluoru), lewy B. W przypadku spawania światłowodów A, B, C ze światłowodem D (przesunięta dyspersja), dla trybu automatycznego uzyskano następujące wyniki : AD (rys. 3) spawarka 0.02 db, reflektometr = 0.30 db λ = 1310 nm = 0.19 db λ = 1550 nm BD spawarka 0.02 db, reflektometr = 0.25 db λ = 1310 nm = 0.14 db λ = 1550 nm CD (rys.4) spawarka 0.06 db, reflektometr = 0.22 db λ = 1310 nm = 0.12 db λ = 1550 nm Rys. 3 Obraz termoluminescencji spawu : prawy D lewy A.

5 401 C8.12 Rys. 4 Obraz termoluminescencji spawu : prawy C lewy D. Przedstawione wyniki 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 : AD(rys. 5)spawarka 0.01 db, reflektometr = db λ = 1310 nm = db λ = 1550 nm BD spawarka 0.01 db, reflektometr = db λ = 1310 nm = db λ = 1550 nm CD spawarka 0.01 db, reflektometr = db λ = 1310 nm = db λ = 1550 nm Rys. 5 Przestrzenny obraz termoluminescencji spawu AD.

6 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. Literatura 1. W. 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 1996 w druku. 3. J. Petykiewicz, B. Pura, A. Tadeusiak, Badania strukturalne spojeń światłowodów, IV Konferencja Naukowa Technologia i zastosowanie Światłowodów, Krasnobród 1996 w druku. 4. A. Majewski, Teoria i projektowanie światłowodów, WNT, Warszawa 1991.