8.3 Сварные соединения оптических волокон

Сварные соединения, которые иногда называются сростками, широко применяются при создании линий связи большой протяженности (например, сетей связи общего пользования масштаба города и более).

Соединение ОВ методом сварки стало одним из основных методов монтажа оптических систем связи. Возможности получения хорошего сварного соединения постоянно возрастают с усовершенствованием применяемого оборудования и технологии сварки, в дополнение к непрерывному совершенствованию геометрии волокна. В результате, типичные специфицируемые максимальные потери в сварном соединении находятся в настоящее время в диапазоне от 0,05 дБ (сварка индивидуальных волокон) до 0,10 дБ (одновременная сварка нескольких волокон).

Качество сварного соединения можно характеризовать двумя параметрами:

• затуханием в месте сварки;

• прочностью сварного соединения.

Факторы, которые определяют затухание при использовании любого метода соединения волокон, могут классифицироваться на внутренние, присущие волокнам, и внешние. Факторы, определяемые ОВ, закладываются при изготовлении волокна, и поэтому в большинстве случаев находятся вне контроля оператора, производящего сварку.

Основные проблемы, создаваемые факторами окружающей среды, сводятся к возможности загрязнения волокна в месте сварки пылью и влагой. Попадание пыли в место сварки неизбежно ведет к росту затухания и снижению прочности. Поэтому рабочее место должно быть защищено от ветра и осадков. Необходимо также снижать время между разделкой волокна и сваркой, что снижает вероятность загрязнения.

Технологии сварки

Подготовка волокна. Для снятия покрытия с волокна исторически находили применение термический, химический и механический способы снятия покрытия с ОВ. На сегодняшний день основным методом является механический способ. При этом необходимо обеспечить сохранность поверхности оптического волокна поскольку поверхностные эффекты критическим образом снижают прочность волокна. Так, царапина размером около 1 мкм снижает прочность ОВ ниже уровня прочности, определяемого перемоткой – 1% удлинения, что соответствует усилию 8,6Н. На первый взгляд кажется, что такое растягивающее усилие весьма значительно и никогда не реализуется при нормальной эксплуатации волокна. Следует однако помнить, что проектируемый срок службы волокна в составе кабелей и муфт по существующим требованиям составляет 20-45 лет. Учитывая процессы старения волокна, фирма Corning Inc. по результатам многочисленных и долговременных экспериментов пришла к выводу о том, что постоянное натяжение волокна (или эквивалентный ему изгиб волокна в муфте) не должно превышать натяжения, соответствующего 0,2% удлинения его поверхности без отсутствия прямого контакта с влагой.

Скалывание волокна. Основное требование к поверхности скола ОВ состоит в обеспечении его перпендикулярности к оси волокна. Например, угол наклона поверхности скола более 2^о может удвоить потери в сварном соединении. Имеющиеся в настоящее время на рынке устройства скола позволяют стабильно получать значения этого угла в пределах 0,5^о.

Юстировка волокон. Сварка волокон может проводиться как по одиночке, так и по несколько волокон одновременно. В первом случае находят применение сварочные аппараты, использующие принцип автоматического или ручного сведения сердцевин волокон либо по максимуму оптического сигнала, проходящего через стык перед сваркой, либо по профилю показателя преломления волокна.

При одновременной сварке нескольких волокон, например в случае ленточных кабелей, сведение волокон осуществляется путем использования V-образных канавок. В этом случае, когда точная индивидуальная стыковка волокон невозможна, приходится ориентироваться на геометрию ОВ, а именно концентричность его сердцевины и оболочки, собственный изгиб волокна (который определяется через радиус кривизны волокна в свободном состоянии – такое искривление возникает во время вытяжки волокна), а также стабильность диаметра кварцевой оболочки.

Процесс сварки.

После того, как волокна состыкованы, начинается процесс их сварки. В качестве первого шага часто используется очистка от загрязнений с помощью вспомогательных дуговых разрядов. Следующий шаг состоит в предварительном нагреве концов волокон до состояния размягчения, что позволяет волокнам сплавляться в месте контакта. Слишком высокая температура на этой стадии может вызвать чрезвычайную деформацию концов волокон и привести к некачественной сварке из-за нарушения геометрии волокон. Слишком низкая температура – может вызвать искривление волокон и нарушение их стыковки при сварке.

Оптимальная температура в момент сварки зависит от температуры предварительного нагрева, тока дуги и времени разряда в момент сварки и отрезком времени между предварительным нагревом и моментом сведения волокон. Применяемые в разных аппаратах методы предварительного нагрева могут быть разделены на продолжительный и импульсный нагрев. В первом случае достигается равномерный прогрев торцевой поверхности волокна, во втором – тепло концентрируется на периферии торца. Высокое качество сварки может быть достигнуто в обоих методах, но при импульсном нагреве сварное соединение внешне может иметь утоньшение.

Оценка или измерение затухания в сростке

Современные высококачественные сварочные аппараты обеспечивают эту функцию для того, чтобы затухание в сростке можно было оценить непосредственно после сварки. В аппаратах с автоматической юстировкой концов световодов затухание в сростке оценивается настолько достоверно, что повторение измерения на отдельных сростках даже при самых высоких требованиях не требуются.

Испытания на растяжение готового сростка

Испытания на растяжение проводятся с целью проверки механической прочности незащищенного сростка для того, чтобы при эксплуатации кабельной сети обеспечить отсутствие повреждений из-за излома световодов в защитной оболочке сростка. В этой связи во многих сварочных аппаратах имеется специальный встроенный динамометр.

Защита сростка

Голые поверхности сростка должны быть защищены, например, обжимным или термоусаживаемым предохранителем сростка в предусмотренном для этой цели устройстве. Большинство стандартных типов защитных устройств обеспечивают долговременную защиту сростков. При этом дополнительные затухания благодаря конструктивным мерам исключены.

Хранение сростков

Защищенный сросток укладывается в гребенке для сростков внутри соединительной кассеты. При укладке защищенных сростков и резервной длины световодов следует соблюдать радиус изгиба - максимум 45 мм. При меньших радиусах изгиба могут возникнуть дополнительные потери и разлом оптоволокна.