16. Неразъемные соединения оптических волокон

Существуют два метода создания неразъемного соединения оптических волокон:

1. сварка плавлением

2. так называемый, механический способ, заключающийся в соединении волокон механическим усилием с последующей фиксацией

Сварка оптических волокон

Для создания неразъемного соединения оптических волокон методом сварки необходимо выполнить следующие операции:

1. С оптических волокон должны быть удалены защитные покрытия на заданном расстоянии от свариваемых торцов (существуют методы: химический, с использованием растворителей, механический и термический)

2. Подготавливают торцы световодов к сварке: создают ровную и плоскую поверхность либо методом скалывания, либо резкой и последующей полировкой диском с покрытием алмазной крошкой.

3. Производят юстировку волокон

4. Сварку

5. Контроль параметров созданного соединения

6. Создают (восстанавливают) защитную оболочку оптического волокна

Первые два этапа выполняются вручную с помощью специальных приспособлений и инструментов. Сварка ОВ производится на автоматизированных устройствах, осуществляющих предварительную юстировку ОВ, плавление, охлаждение и последующий контроль параметров сварного соединения. Юстировка волокон является наиболее сложным этапом, для выполнения которой используется один из трех или несколько одновременно методов:

1. выравнивание волокон по изображению в параллельном пучке света (а англоязычной литературе используется аббревиатура “PAS”)

2. юстировка по максимальному значению мощности, передаваемой через сварное соединение (“LID”)

3. метод тепловых изображения (“RTC”)

Рассмотрим эти методы подробнее.

Метод 1 (“PAS”). Параллельный световой пучок, проходя ОВ сбоку, фокусируется вблизи поверхности ОВ (рис. 16.1). Сердцевина волоконного световода также фокусирует излучение, но его фокус расположен внутри ОВ. Изображение ОВ в параллельном пучке света будет иметь вид темной области с узкой и яркой полосой по середине (рис. 16.1). В зависимости от взаимного расположения точек фокуса и фокальной плоскости объектива микроскопа, распределения интенсивности будут различаться (рис. 16.2). В автоматизированных устройствах для сварки с помощью манипуляторов производится автоматическое совмещение центров фокусов в двух плоскостях. Наиболее точная юстировка достигается при совмещении фокусов, обусловленных сердцевиной, однако контраст изображения низкий, поэтому не всегда удается достичь предельного теоретического значения точности юстировки. В настоящее время данный метод используется, в основном, для предварительной юстировки волокон.

Рис. 16.1.

Рис. 16.2.

Метод “LID”. Обычно для выполнения юстировки используется схема измерений, приводимая на рис. 16.3.

Рис. 16.3. Система юстировки ОВ по максимальному значению передаваемой мощности

Излучение в световод вводится через изгиб первого ОВ, а измерения величины вводимого излучения – через изгиб второго ОВ. При этом ввод и вывод излучения могут осуществляться через защитное покрытие световода. Так как юстировка осуществляется по максимальному значению вводимой во второй световод мощности излучения, такой метод позволяет получить лучшее качество соединения по сравнению с методом “PAS”.

Основным недостатком, как первого, так и второго метода является невозможность выполнения юстировки в процессе сварки. Наибольшую сложность вызывает сварка волоконных световодов, имеющих эксцентриситет (т.е. когда ось сердцевины смещена относительно оси оптической оболочки ОВ). В этом случае при выполнении сварки сила поверхностного натяжения в расплавленном стекле действует в направлении выравнивания осей оптических оболочек, что приводит к ухудшению юстировки сердцевин ОВ, соответственно – к дополнительным оптическим потерям.

Метод “RTC”. Указанного недостатка не имеет метод тепловых изображений (“RTC”). Сущность метода заключается в следующем (рис. 16.4). Известно, что любое разогретое вещество излучает энергию в окружающее пространство. Такое излучение называется тепловым излучением. Мощность теплового излучения определяется законом Стефана-Больцмана (), а спектр излучения является сплошным. При высоких температурах, кроме теплового излучения, возникает излучение на определенных длинах волн, обусловленное излучательными переходами возбужденных электронов примесей кварцевого стекла. Так как оболочка и сердцевина имеют различный химический состав, то и их спектры излучения будут различаться. С помощью специальных фильтров выделяют узкую спектральную область, в которой доминирует излучение, обусловленное примесями сердцевины световода. Для работы сварочных устройств обычно выделяют спектральные линии в видимом или ближнем инфракрасном диапазоне длин волн. Сущность метода юстировки аналогично методу “PAS”, рассмотренному ранее. Поэтому иногда эти методы используют совместно (“PAS” – для предварительной юстировки). Достоинством “RTC” метода является возможность выполнения юстировки сердцевин световодов в процессе сварки, соответственно, имеется возможность корректировать взаимное расположение волокон до момента застывания расплава. Считается, что метод тепловых изображений позволяет получить самое лучшее качество сварных соединений. Недостатком такого метода является зависимость от спектра излучения примесей, соответственно – от химического состава сердцевины. Поэтому сварочные аппараты, использующие метод “RTC” могут работать только с определенными типами световодов, предусмотренными конструкцией прибора (используемыми спектральными фильтрами). Типы свариваемых волокон указываются в инструкции по применению сварочного аппарата.

Рис. 16.4. Схема регистрации тепловых изображений

При правильной подготовке волокон к сварке вносимые потери на сварном соединении могут быть менее 0,02 дБ. Время сварки волокон, включая время на юстировку волокон, составляет, в зависимости от типа используемого аппарата от 15 до 45 секунд. На качество сварного соединения влияют те же причины, что и для разъемного соединения. Однако существует некоторая специфика, обусловленная технологией сварки, которая будет рассмотрена ниже.

Виды дефектов при сварке волоконных световодов

№	Вид дефекта	Описание дефекта	затухание	отражение
1		Смещение сердцевин	П	Х
2		Изгиб сердцевины без образования смещения	П	Х
3		Изгиб сердцевины с образованием смещения	П	Х
4		Перекос (фактически п. 2)	П	Х
5		Инородные включения	П	В зависимости от вида вкраплений
6		Утолщение оптической оболочки («бочка») без утолщения сердцевины	Х	Х
7		Сужение оптической оболочки («перетяжка») без сужения сердцевины	Х	Х
8		Вертикальный шов	П	П
9		Утолщение сердцевины («пузырь»)	П	В зависимости от параметров дефекта

Возможно также сужение оптической оболочки с сужением сердцевины. Однако при небольших изменениях диаметра сердцевины изменение передаточных характеристик световода пренебрежимо мало.

Преимущества сварных соединений по сравнению с разъемными

1. Меньше потери – менее 0,2 дБ

2. меньше обратные потери (величина обратно отраженного излучения)

3. соединение не подвержено запылению и загрязнению в процессе эксплуатации

4. легче достичь герметичности оптического волокна

5. дешевле разъемного в пересчете на одно соединение (при большом количестве)

6. более компактное, чем коннектор.

Преимущества разъемных соединений

1. При создании сети не требуется использования специального оборудования

2. Легкое изменение конфигурации сети («переконфигурация»).

3. Возможность использования стандартных коннекторов и «патч-кордов»

4. Простота подключения к конечному пользователю.

Механическое соединение волокон

Неразъемные соединения оптических волокон, полученные способом, отличным от способа сварки волокон, классифицируются как механические соединения. Существуют различные способы и приспособления для механического соединения волокон. Однако, все они включают в себя следующие основные элементы:

1. специальные поверхности для юстировки соединительных волокон (обычно – поверхности с V-образной канавкой)

2. фиксатор для удержания волокон после выполнения юстировки

3. оптический материал, заполняющий зазор между волоконными световодами (обычно – иммерсионная жидкость или клей, отверждаемый ультрафиолетовым излучением), имеющий показатель преломления близкий к показателю преломления сердцевины световода

Устройства для механического соединения волокон изготавливаются с возможностью юстировки ОВ, так и без такой возможности. Существуют устройства, как для многократного соединения волокон, так и однократного. Известны также механические соединители (в данном случае термин «соединители» не является синонимом к термину «коннектор») для ленточных волоконно-оптических кабелей. Механические соединители либо имеют специальную конструкцию, защищающую световоды от механических повреждений в виде защитных гильз, трубок, экранов или др. элементов.

7