Ćwiczenie 11 Wydział Elektryczny Mechaniczny Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki LABORATORIUM ZASTOSOWAŃ OPTOELEKTRONIKI Technologia połączeń światłowodowych (spawanie światłowodów, pomiar geometrii światłowodów) Opracował: Anna Sankowska Zagadnienia do przygotowania 1. Rodzaje światłowodów włóknistych i ich parametry.. Rodzaje połączeń światłowodów włóknistych. 3. Definicja strat na złączu światłowodowym. 4. Czynniki wpływające na tłumienie złącz światłowodowych. Literatura [1] Mieczysław Szustakowski: Elementy techniki światłowodowej, WNT, Warszawa 199 [] Joseph C. Palais: Zarys telekomunikacji światłowodowej, WKiŁ, Warszawa 1991 [3] Ajoy Ghatak, K. Thyagarajan: Introduction to fiber optics, Cambridge University Press 1998
1. Światłowody włókniste podstawowe właściwości Rozwój zastosowań światłowodów w sieciach telekomunikacyjnych, komputerowych, telewizji kablowej, systemach czujnikowych uzależniony jest między innymi od podaży światłowodowych elementów takich jak: złącza, sprzęgacze, przełączniki, multipleksery i inne. W celu zwiększenia długości toru z transmisją optyczną niezbędne jest łączenie światłowodów za pomocą złącz stałych lub rozłącznych. W 1990 roku firma Corning Glass Company wyprodukowała światłowód o tłumienności 0 db/km i od tej daty rozpoczęło się stosowanie włókien szklanych w celach telekomunikacyjnych. W miarę postępu technologicznego tłumienność światłowodów malała i obecnie nie przekracza 0, db/km dla długości fali 1,55 µm. Pozwala to budować linie telekomunikacyjne dużego zasięgu bez konieczności częstego wzmacniania i regeneracji przesyłanych sygnałów ( długość łącza światłowodowego bez regeneracji wynosi około 50 km). Drugą istotną przyczyną rozwoju telekomunikacji światłowodowej jest bardzo duża przepływność informacyjna światłowodów wynikająca z dużej wartości częstotliwości nośnej stosowanych do transmisji fal świetlnych, rzędu 00-300 THz. Produkowane współcześnie światłowody szklane i plastikowe są dielektrykami, cechuje je więc niewrażliwość na zakłócenia elektromagnetyczne i same nie emitują do otoczenia transmitowanych sygnałów. Stanowi to o zapewnionym dużym bezpieczeństwie przesyłania danych ze względu na utrudniony podsłuch i łatwe jego wykrycie. Kolejną zaletą telekomunikacyjnych zastosowań światłowodów jest możliwość rozbudowy łącza światłowodowego przez wymianę układów optoelektronicznych, ponieważ pojemność systemu nie jest ograniczona przez światłowód. Światłowody i kable światłowodowe cechuje odporność na wpływy warunków atmosferycznych, w tym wysokich temperatur i wysoką wilgotność. Waga łącza światłowodowego osiąga zaledwie ¼ wagi łącza na kablu miedzianym ze względu na małe średnice i ciężar kabli światłowodowych. Wymienione zalety światłowodów, dynamiczny rozwój techniki światłowodowej i podzespołów optoelektronicznych przyczyniły się również do powstania nowych technik pomiarowych wielkości fizycznych - czujników światłowodowych, w tym czujników do zastosowań medycznych. Jedną z niestandardowych aplikacji światłowodów jest ich zastosowanie systemach oświetleniowych i dekoracyjnych.
Światłowód telekomunikacyjny to włókno szklane składające się z centralnie umieszczonego rdzenia o przekroju kołowym, wykonanego ze szkła kwarcowego domieszkowanego germanem lub innymi pierwiastkami podwyższającymi współczynnik załamania ( w zależności od koncentracji domieszek ). Rdzeń światłowodu otoczony jest płaszczem, który najczęściej wykonany jest z czystego kwarcu. W praktyce różnica współczynników załamania między rdzeniem a płaszczem jest rzędu 1%. Struktura rdzeń-płaszcz pokryta jest powłoką stanowiącą warstwę zabezpieczającą, nadaje ona włóknu światłowodowemu odporność na czynniki zewnętrzne i odpowiednią wytrzymałość mechaniczną. Budowa światłowodu włóknistego przedstawiona jest na rys.1. Należy podkreślić, iż współczynnik załamania materiału rdzenia ma wartość większą niż współczynnik załamania płaszcza co powoduje, iż na granicy rdzeń-płaszcz może zachodzić zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia, które jest podstawą propagacji fali świetlnej w światłowodzie. Rys. 1. Budowa włókna światłowodowego Budowa każdego rodzaju toru światłowodowego związana jest z koniecznością wykonywania połączeń światłowodowych, których konstrukcja, podstawowe cechy, technologia wykonania będą omówione w kolejnych rozdziałach.. Połączenia światłowodowe Długości światłowodów uzyskiwanych w procesie produkcyjnym są zależne od zastosowanej technologii (wynoszą od kilku do kilkudziesięciu kilometrów). W celu zapewnienia mechanicznej wytrzymałości światłowodów pracujących np. na dnie zbiorników wodnych czy zagrzebanych w ziemi konieczne jest dokładanie kolejnych zabezpieczeń, czyli budowa kabli światłowodowych. Długości kabli światłowodowych są rzędu pojedynczych kilometrów. Tak więc w celu zbudowania światłowodowych linii długiego zasięgu istnieje potrzeba łączenia światłowodów między sobą. Połączenia te wymagają zapewnienia kontaktu optycznego realizowanego od czoła światłowodu to znaczy powierzchni prostopadłej do osi włókna światłowodowego. Z uwagi na różnice technologiczne i zadania jakie pełnią połączenia dzielimy je na połączenia stałe i rozłączne. Niezależnie od rodzaju połączeń światłowodowych stawia się im wymagania dotyczące wprowadzania małych strat mocy optycznej czyli małego tłumienia. Schemat połączenia dwu światłowodów przedstawiono na rys.. 3
Rys.. Schemat połączenia między dwoma światłowodami Straty występujące na połączeniu światłowodowym definiowane są wyrażeniem [ ] gdzie: [ ] [ ] L tłumienie złącza światłowodowego, jednostką strat na złączu jest [db] P 0 - moc optyczna mierzona przed złączem; mierzona w mw P 1 - moc optyczna mierzona za złączem; mierzona w mw Należy zauważyć, iż w celu określenia poziomu mocy optycznej w technice światłowodowej wyprowadzono dodatkową jednostkę określaną jako [dbm], jest to moc optyczna odniesiona do 1mW. P[mW] P[dBm] 10 log () 1mW Wówczas straty na złączu możemy obliczyć jako różnicę mocy optycznej po przejściu przez złącze i mocy optycznej dochodzącej do złącza L[dB] = P 1 [dbm]- P 0 [dbm] (3) ( 1 ) Uzyskanie połączeń światłowodowych o jak najmniejszych stratach wymaga wyeliminowania szeregu czynników zwiększających tłumienie złącz światłowodowych. Czynniki wpływające na tłumienie złącz światłowodowych możemy podzielić na trzy grupy; czynniki powodujące: straty zewnętrzne, straty wewnętrzne i straty zależne od rodzaju połączenia. 1. Czynniki zewnętrzne (wprowadzają tak zwane straty niesamoistne ) związane są z niedokładnościami pozycjonowania światłowodów i jakością przygotowania ich powierzchni czołowych. Należą do nich błędy takie jak: a) przemieszczenia poprzeczne światłowodów (przesunięcia światłowodów w kierunkach prostopadłych do osi światłowodów) b) przemieszczenia kątowe (kąt między osiami łączonych światłowodów) c) rozseparowanie światłowodów wzdłuż osi (wzdłuż osi x) 4
d) jakość powierzchni czołowych łączonych światłowodów (odstępstwa od płaskości i prostopadłości) e) ucięcie pod kątem powierzchni czołowych Na rys.3. przedstawiono ilustrację graficzną czynników zewnętrznych wpływających na straty mocy optycznej w złączach światłowodowych. Rys. 3. Czynniki zewnętrzne wpływające na tłumienie połączeń światłowodowych. Czynniki wewnętrzne (wprowadzają tak zwane straty samoistne) związane z jakością wykonania łączonych światłowodów. Należą do nich : a) różnice wymiarów geometrycznych ( różne wartości promieni rdzenia i płaszcza łączonych światłowodów ) b) różnice apertur numerycznych włókien światłowodowych c) różnice profilu rozkładu współczynnika załamania łączonych światłowodów Na rys. 4. przedstawiono czynniki wewnętrzne wywołujące straty na złączu wynikające z niedopasowania struktury i właściwości optycznych łączonych światłowodów. Rys. 4. Straty spowodowane niedopasowaniem parametrów łączonych światłowodów Łączne straty mocy optycznej spowodowane niedopasowaniem parametrów geometrycznych i optycznych łączonych światłowodów opisane są wyrażeniem (4). L = 10 log a1 a + 10 log NA NA1 + 10 log 1 1 (4) gdzie : a 1, a rdzenie łączonych światłowodów NA 1, NA apertury numeryczne 5
α 1, α - profile rozkładu współczynników załamania 3. Straty zależne od rodzaju połączeń: - straty odbiciowe związane z odbiciami Fresnela na granicy ośrodków powietrze - szkło,występują w połączeniach rozłącznych - straty rozproszeniowe rozproszenia Rayleigha spowodowane niejednorodnościami w obszarze połączenia, występują przy połączeniach stałych (spawanych, klejonych) 3. Światłowodowe złącza rozłączne Sprzężenie optyczne światłowodów w złączach rozłącznych uzyskuje się przez zbliżenie rdzeni światłowodowych i ich pozycjonowanie za pomocą mechanicznej obudowy. Konstrukcja złącza rozłącznego ma zapewnić realizację stabilnego połączenia pod względem optycznym i mechanicznym co pozwala na minimalizację tłumienia i strat odbiciowych na złączu. Złącza rozłączne wymagają obróbki mechanicznej elementów złącza z dużą dokładnością i zastosowania konstrukcji samocentrujących czoła światłowodów. Najczęściej stosowane rodzaje złącz rozłącznych to: ST złącza bagnetowe, FC - złącza mocowane przy pomocy gwintowanej nakrętki, SC - złącze wtykane, E 00 - złącze wtykane z klapką zabezpieczającą. Na rys. 5 przedstawiono elementy złącza światłowodowego typu ST, którymi są dwa konektory ( zamontowane na końcach łączonych kabli światłowodowych ) i adapter. Rys. 5. Budowa złącza światłowodowego typu ST Typowe wartości tłumienia rozłącznych złącz światłowodowych nie powinny przekraczać wartości 0.5 db. 4. Połączenia spawane W celu trwałego połączenia dwu światłowodów stosuje się spawanie w łuku elektrycznym lub klejenie przy zastosowaniu żywic utwardzanych termicznie lub promieniowaniem ultrafioletowym (UV). Połączenie światłowodów metodą spawania w łuku elektrycznym jest obecnie metodą wykorzystywaną do budowy długich torów optotelekomunikacyjnych. Zadecydowała o tym dostępność specjalistycznego sprzętu spawarek światłowodowych i łatwość wykonywania połączeń o małych stratach rzędu setnych części db ( dla światłowodów jednomodowych na poziomie 0,01dB). 6
Przed spawaniem należy odsłonić światłowód przez zdjęcie powłok ochronnych na długości pozwalającej na ucięcie światłowodu i następnie jego zamocowanie w uchwytach mocujących spawarki. Mocowanie światłowodów odbywa się w V-rowkach, które umożliwiają pozycjonowanie światłowodów względem siebie. Pozycjonowanie wykonywane jest w sposób ręczny ( za pomocą śrub mikrometrycznych ) lub automatyczny ( za pomocą piezoelementów ). Proces spawania składa się z trzech etapów: wygrzewania wstępnego, spawania właściwego i odprężania przedstawionych schematycznie na rys.6. Poniżej podano typowe parametry każdego z wymienionych etapów; należą do nich czas trwania i temperatura procesu. Rys. 6. Etapy spawania światłowodów w łuku elektrycznym Parametry etapów procesu spawania : - wygrzewanie wstępne: temperatura 600-800C, czas trwania pojedyncze sekundy, - wygrzewanie właściwe (spawanie): temperatura 1600-1800C, czas trwania ułamek sekundy, - odprężanie: temperatura 400-600C, czas trwania - pojedyncze sekundy, Na rys. 7. przedstawiono zdjęcie spawarki światłowodowej FOS- będącej jednym z pierwszych modeli urządzenia (1986 r.) pozwalającego na spawanie światłowodów w łuku elektrycznym. Jest to spawarka ręczna, co oznacza, iż do pozycjonowania światłowodów w trzech kierunkach w przestrzeni służą śruby mikrometryczne. Ocenę jakości powierzchni czołowych i poprawności justowania światłowodów dokonuje się z pomocą mikroskopu optycznego wyposażonego w dwa obiektywy umieszczone względem siebie ortogonalnie. Powiększenie układu optycznego mikroskopu wynosi 60 x. Dla każdego etapu procesu spawania należy ustalić optymalne parametry, wcześniej wykonując spawy testowe. 7
Rys.7. Ręczna spawarka światłowodowa FOS- Widoczna na zdjęciu (rys. 8.) spawarka światłowodowa RXS X75 firmy Siemens przeznaczona jest do łączenia standardowych światłowodów telekomunikacyjnych jedno i wielodomowych, charakteryzujących się średnicą zewnętrzną równą15 µm. Rys. 8. Automatyczna spawarka światłowodowa RXS X75 firmy Siemens Spawarka RXS X75 to urządzenie automatyczne, w którym światłowody pozycjonowane są przez zastosowanie systemu L-PAS (Lens Profile Alignment System) wykorzystującego dwie kamery CCD ustawione względem siebie prostopadle. Dla wykonanego połączenia poza oszacowaniem wartości tłumienia przeprowadzany jest test wytrzymałości mechanicznej spawu na rozciąganie (z siłą około,5 N ). 5. Przebieg ćwiczenia: Część A. Spawanie światłowodów 1. Przygotowanie telekomunikacyjnych kabli światłowodowych do spawania.. Przygotowanie powierzchni czołowych światłowodów do połączeń 3. Określenie wpływu błędów pozycjonowania na poziom mocy optycznej propagowanej między światłowodami (przemieszczenia podłużne i poprzeczne) 8
4. Wykonywanie połączeń trwałych światłowodów przy pomocy spawarki światłowodowej Fusion Splicer X75. 5. Wykonywanie zabezpieczeń połączeń spawanych różnymi metodami i montaż w mufie światłowodowej. 6. Histogram strat dla światłowodów jednomodowych i wielodomowych Część B. Pomiary geometrii światłowodów Pomiary parametrów geometrycznych wybranych światłowodów będą przeprowadzane przy pomocy mikroskopu optycznego. Średnice rdzenia i płaszcza światłowodów w pierwszym kroku mierzymy w działkach okularu mikroskopowego, dla różnych powiększeń mikroskopu optycznego. Zmianę powiększenia mikroskopu uzyskuje się poprzez zmianę obiektywu mikroskopowego; w pomiarach wykorzystujemy obiektywy o powiększeniach 5 x, 10 x, 0 x.. Rys. 9. Pomiary mikroskopowe parametrów geometrycznych światłowodów włóknistych. W celu określenia średnic światłowodu w µm należy dokonać skalowania mikroskopu dla każdego z wykorzystywanych obiektywów, posługując się wzorcem mikroskopowym. Sprawozdanie powinno zawierać: - opis technologii przygotowania powierzchni czołowych światłowodów do spawania - omówienie etapów procesu spawania światłowodów ( krótka charakterystyka) - przedstawienie sposobów wykonywania zabezpieczeń na spawach - dyskusję uzyskanych wyników pomiaru parametrów geometrycznych światłowodów (ocena dokładności pomiaru) 9