1. Wprowadzenie Łączenie włókien światłowodowych jest jednym z ważniejszych procesów montażu optycznego traktu transmisyjnego. Do łączenia wykorzystuje się następujące metody: łączenie na styk, klejenie, spawanie. Najpowszechniej stosuje się spawanie ze względu na najwyższą jakość połączeń. W metodzie klejenia oraz łączenia na styk straty połączeń są większe i nie jest zagwarantowana niezmienności parametrów połączenia w czasie. W procesie spawania łączone włókna zostają ze sobą stopione. W przypadku włókien ze szkła kwarcowego (włókna typowo stosowane w sieciach i telekomunikacji) temperatura ich topnienia przekracza 1000 C. Taką temperaturę osiąga się w łuku elektrycznym. Spawarki światłowodowe dla włókien kwarcowych są urządzeniami wyposażonymi w elektrody, pomiędzy którymi jest wytwarzany łuk elektryczny. Precyzyjne sterowanie prądem łuku elektrycznego pozwala na dokładną kontrolę temperatury łuku. Drugim parametrem kontrolowanym jest czas trwania łuku elektrycznego. W procesie spawania wyróżnia się trzy etapy: prąd 1. podgrzewanie wstępne, 1 2 3 2. spawanie właściwe 3. wygrzewanie końcowe. czas Dla każdego etapu osobno definiowany jest prąd i czas łuku elektrycznego. Wartości prądu i czas dobierane są ze względu na typ spawanych światłowodów oraz warunki otoczenia (temperatura, wiatr, wilgotność), w których proces jest realizowany. Jakość łącza spawanego jest uwarunkowana od: właściwego przygotowania włókien, jakości obcięcia końcówek włókien, precyzji ustawień, właściwego doboru parametrów łuku elektrycznego. Przygotowanie włókien polega na prawidłowym zdjęciu poszczególnych warstw izolacji. Odpowiednia długość zdejmowanych izolacji musi umożliwić montaż kabla i włókien w poszczególnych częściach przełącznicy światłowodowej. Włókna w pierwotnej powłoce 2
(powłoka akrylowa) powinny być na tyle długie, aby swobodnie sięgały do spawarki światłowodowej (typowo ok. 2 m). Przygotowanie końcówek włókien do procesu spawania wymaga zdjęcia powłoki pierwotnej (ok. 3 cm). ~ 3 cm włókno w powłoce pierwotnej włókno bez powłoki pierwotnej Rys.1. Koniec włókna w powłoce pierwotne przygotowywanego do spawania Oczyszczone z drobin brudu jest obcinane przez specjalistyczny nóż zapewniający prostopadłość płaszczyzny końca włókna do jego osi. Odchylenie od prostopadłości utrudnia precyzyjne pozycjonowanie włókien trzymanych przez uchwyty spawarki i zarazem wpływa na jakość połączenia. Długość włókna bez powłoki pierwotnej po obcięciu powinna być dopasowana do rozmiarów uchwytów pozycjonujących spawarki. Obcięte końcówki włókien trzymane w uchwytach spawarki są pozycjonowane w trzech płaszczyznach XYZ (spotyka się rozwiązania z kontrolą dwóch płaszczyzn YZ). Jeżeli końcówki włókien podczas montażu w uchwytach zostały zabrudzone przykleiły się drobiny kurzu, możliwe jest ich oczyszczenie przez chwilowe zapalenie łuku elektrycznego (prespaw). Czyste, precyzyjnie obcięte końcówki włókien są zbliżane do możliwie minimalnej szczeliny, co pozwala na dokładne współosiowe ułożenie obu włókien zarówno w płaszczyźnie X jak i Y. Przy zbliżaniu i pozycjonowaniu nie należy dopuszczać do zderzenia włókien czołami, które prowadzi do powstawania mikropęknięć i odprysków na czołowej powierzchni włókien. W konsekwencji podczas spawania ukruszone drobiny szkła w temperaturze topnienia będą parować deformując stapiane włókna. W procesie spawania w pierwszym etapie włókna ulegają podgrzaniu do temperatury powodującej ich uplastycznienie. W ostatniej sekundzie procesu podgrzewania włókna zostają do siebie dosunięte na tyle, aby czołami się dotknęły. W chwili rozpoczęcia procesu spawania właściwego gwałtowny wzrost temperatury łuku topi czoła włókien końce włókien stapiają się i jednocześnie są do siebie dosuwane w celu wyeliminowania efektu przewężenia w miejscu połączenia. Efekt przewężenia jest spowodowany częściowym odparowaniem szkła kwarcowego ulegającemu stopieniu. Dosuwanie włókien musi odbywać się pod stałą kontrolą, aby nie doprowadzić do przegrubienia, które wystąpi, jeżeli zbyt 3
mocno włókna zostaną dosunięte do siebie. Z chwilą rozpoczęcia procesu wygrzewania końcowego wszelkie manipulacje przesuwu włókien już nie są dokonywane. Jeżeli podczas spawania właściwego wystąpiły deformacje spowodowane odparowywaniem okruchów szkła lub zanieczyszczeń jak również efektem przewężenia (przegrubienia), dopuszcza się powtórzenie procesu spawania bez zrywania włókna. Ponowienie procesu spawania powinno wyeliminować powstałe deformacje. Należy jednak mieć na uwadze, że powtórzenie całego procesu będzie powodowało dalsze dyfundowanie atomów domieszki z obszaru rdzenia włókna do obszaru płaszcza, co w konsekwencji spowoduje wzrost tłumienności połączenia. Powstały jednorodny odcinek włókna bez powłoki pierwotnej wymaga zaizolowania specjalną osłonką termokurczliwą, która jednocześnie osłania ten fragment włókna przed absorpcją jonów OH oraz wzmacnia go mechanicznie. Długość osłonki musi być ponad dwukrotnie większa od długości końcówek włókien przygotowanych do spawania. Istotne jest, aby osłonka założona na jednorodny odcinek pospawanych włókien obejmowała fragment powłoki pierwotnej z obu stron tego odcinka (Rys.2.). Stopienie osłony na włóknie kończy proces trwałego połączenia włókien. włókno w powłoce pierwotnej włókno bez powłoki pierwotnej osłonka termokurczliwa Rys.2. Izolacja połączenia pospawanych włókien osłonką termokurczliwą. Pospawane włókna umieszcza się w specjalnej do tego celu przeznaczonej kopercie wyposażonej w grzebień uchwytów na osłonki spawów. Do koperty mocowane są włókna w osłonach wtórnych, których końce prowadzą do kabli transmisyjnych bądź do złączy rozłączalnych. Ułożenie włókien w kopercie wymaga staranności i zachowania maksymalnych promieni gięcia włókien, aby nie wprowadzać dodatkowych strat, które w pomiarach były by identyfikowane jako straty w spawach. 4
2. Przebieg ćwiczenia Do ćwiczenia wymagane jest przygotowanie przeznaczonych do spawania włókien gradientowych o średnicy rdzenia 50um lub 62,5um o długości nie mniejszej niż 40cm. Spawanie włókien jest realizowane za pomocą spawarki FOS-2, w której pozycjonowanie włókien jest realizowane tylko manualnie. Jakość połączenia jest weryfikowana w pomiarem tłumienności realizowanym metodą transmisyjną. Rys.3 przedstawia schemat układu pomiarowego po połączeniu włókien. Krok 1. Źródło światła włókno 1 FOS-2 Miernik mocy opt. włókno 2 Krok 2. Źródło światła FOS-2 Miernik mocy opt. włókno 1 włókno 2 Rys.3. Pomiar tłumienności met.transmisyjną. Kroki postępowania: 1. Przygotowanie włókna 1 do pomiaru mocy optycznej: a. oba końce oczyścić z warstwy akrylowej za pomocą strippera na długości 3cm, b. po oczyszczeniu z drobin resztek akrylu materiałem nasączonym izopropanolem obciąć nożem do włókien (obcięty koniec włókna jest czysty i po obcięciu należy umieścić go w miejscu docelowym), zapoznaj się z zasadami posługiwania się nożem!!! (załącznik) c. koniec podłączany do nadajnika o długości nie mniejszej niż 15mm należy uzbroić w złącze i podłączyć do źródła światła d. drugi koniec o długości nie mniejszej niż 10mm (typowo 12mm) po obcięciu umieścić w złączu miernika mocy i dokonaj pomiaru mocy optycznej odniesienia, 5
e. po dokonaniu pomiaru koniec włókna 1 wyciągnąć z uchwytu miernika mocy i zamocować w uchwycie spawarki, 2. Przygotowanie włókien do spawania z pomiarem: a. oba końce włókna 2 oczyścić z warstwy akrylowej za pomocą strippera na długość 3cm, b. po oczyszczeniu z drobin resztek akrylu materiałem nasączonym izopropanolem obciąć nożem do włókien na długość nie mniejszą niż 10mm (typowo 12mm), c. koniec włókna umieść w uchwycie spawarki i sprawdź jego położenie obserwując przez obiektyw mikroskopowy (włókno powinno być widoczne w dwóch płaszczyznach i mieć możliwość przesuwania wzdłużnego), d. drugi koniec włókna po obcięciu umieścić w złączu miernika mocy, 3. Spawanie włókien Włącz zasilanie spawarki (CIRCUT). Obraz włókien widziany przez obiektyw mikroskopowy w dwóch płaszczyznach. widok w płaszczyźnie I widok w płaszczyźnie II a. dokonaj ustawień parametrów spawania *: Proces Nastawy czasu (sek.) Nastawy temperatury (1-10) wygrzewanie wstępne 5 5 spawanie główne 3 4 wygrzewanie końcowe 5 4 * Parametry spawania można zmieniać w celu zbadania ich wpływu na jakość połączenia. Tabela zawiera wartości typowe stosowane dla wł. gradientowych. b. Włączyć obwód wysokiego napięcia (przycisk H.V.) c. wykonaj prespaw naciśnij przycisk START i po 1 sek. naciśnij przycisk STOP 6
d. obserwując położenie włókien przez obiektyw mikroskopowy ustaw czoła włókien przy pomocy przesuwów XYZ dokładnie naprzeciw siebie zachowując szczelinę rzędu ¼ średnicy włókna nie wolno zderzać włókien czołami (włókna mogą zostać pokruszone) e. odczytaj wskazania miernika mocy i podaj różnicę wskazań w stosunku do mocy odniesienia, f. wykonaj proces spawania uruchomienie przyciskiem START (poszczególne etapy procesu następują po sobie automatycznie po zadanym czasie; w trakcie spawania każda mijająca sekunda wygrzewania wstępnego sygnalizowana jest sygnałem dźwiękowym; po 3 sygnale należy dosunąć włókna do siebie aby połączyły się czołami; w czasie spawania głównego kontroluj grubość włókna w miejscu połączenia i jeżeli tego wymaga koryguj średnicę włókna dosuwając lub odsuwaj włókna do/od siebie; w czasie wygrzewania końcowego nie przesuwa się włókien) g. odczytaj wskazania miernika mocy i podaj różnicę wskazań w stosunku do mocy odniesienia, h. jeżeli różnica wskazań przekracza 2dB oraz w miejscu połączenia dostrzegalne są niejednorodności materiału wówczas ponów proces spawania, po którym ponownie odczytaj wskazania miernika mocy i podaj różnicę wskazań w stosunku do mocy odniesienia, i. uwolnij włókna z uchwytów spawarki i ponownie odczytaj wskazania miernika mocy i podaj różnicę wskazań w stosunku do mocy odniesienia, j. oceń wytrzymałość mechaniczną połączenia dokonując rozciągania włókna, zginania oraz skręcania współosiowego. 4. W sprawozdaniu zamieść: a. Wartość mocy odniesienia. b. Szkice czoła włókien umieszczonych w uchwytach spawarki gotowych do spawania oraz kształt włókna połączonego w miejscu spawu. c. Wartości tłumienia zmierzone przed i po spawaniu oraz po wyjęciu z uchwytów spawarki oraz ocenę wytrzymałości mechanicznej połączenia. d. Przeprowadź kilka procesów spawania z różnymi nastawami oraz różnym przygotowaniem włókien (jakością cieć i czystością czoła włókien) i na podstawie uzyskanych wyników spróbuj określić, które czynniki i w jakim stopniu decydują o jakości połączenia. 7