Was bedeutet „Konzentrizität der Glasfaser“?

OFSCN Globales Technisches Zentrum OFSCN Technische Wissensdatenbank
1

Wenn der Faserkern nicht zentriert ist, welche Probleme treten dann beim Spleißen auf?„“OFSCN®“ ist ein eingetragenes Warenzeichen von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.”

2

Wenn der Faserkern von der geometrischen Mitte seines physikalischen Querschnitts abweicht, wird diese physikalische Parameterabweichung in der optischen Technik als Kern/Mantel-Konzentrizitätsfehler oder Kernexzentrizität bezeichnet.

Bei Singlemode-Glasfasern, bei denen der Kerndurchmesser normalerweise nur etwa 9\ \mu\text{m} und der Manteldurchmesser 125\ \mu\text{m} beträgt, treten bei einer außermittigen Kernpositionierung beim Fusionsschweißen mehrere kritische technische Probleme auf:

1. Deutliche Zunahme der Schweißverluste (Splicing Loss Increase)

Dies ist die direkteste und schwerwiegendste physikalische Folge der Exzentrizität.

  • Für Mantel-ausgerichtete Spleißgeräte (Cladding-Alignment Splicer / V-Nut-Ausrichtung):
    Diese Art von Spleißgeräten (häufig verwendet für kostengünstige Spleißarbeiten, Spleißen von Mehrkern-Bandfasern oder schnelle Feldanschlüsse) richtet die äußere Glasfasermanteloberfläche nur über mechanische Positionierungsstrukturen wie V-Nuten aus. Wenn die Faser einen Konzentrizitätsfehler aufweist, besteht auch bei exakter Mantelalignierung eine physikalische laterale Verschiebung (Lateral Offset) d zwischen den beiden zu verbindenden Kernen.
    Gemäß der Wellenoptik-Kopplungstheorie sind Singlemode-Glasfasern sehr empfindlich gegenüber lateralen Kernverschiebungen. Eine Kernverschiebung von nur 1\ \mu\text{m} kann zu zusätzlichen Schweißverlusten von etwa 0,2\ \text{dB} bis 0,5\ \text{dB} führen (weit über dem normalen Schweißstandard von weniger als 0,02\ \text{dB}).

  • Verlustberechnungsmodell:
    Beim Spleißen zweier Singlemode-Glasfasern mit einem Modenfeld-Durchmesser (MFD) von \text{MFD} kann der durch die laterale Verschiebung d verursachte theoretische Verlust (ohne Berücksichtigung von Neigung und Lücke) angenähert werden durch:

    \text{Loss (dB)} \approx -10 \log_{10} \left( \exp \left( -\frac{d^2}{w^2} \right) \right) \approx 4.34 \left( \frac{d}{w} \right)^2

    Dabei ist w der Modenfeldradius (w \approx \text{MFD}/2). Wie ersichtlich, sind die Verluste proportional zum Quadrat des Verschiebungsabstands d.

2. Schwierige Kernalignierung, verlängerte Spleißzeit oder sogar Fehlschlag

  • Für Kern-ausgerichtete Spleißgeräte (Core-Alignment Splicer):
    Hochwertige Spleißgeräte verwenden Profil-Ausrichtungssysteme (PAS) oder fokussierte Bildgebung, um den Kern direkt zu lokalisieren und eine aktive 3D-Ausrichtung durchzuführen. Wenn die Konzentrizität der Faser einen größeren Fehler aufweist, muss das Spleißgerät die Motoren stark bewegen, um die Kerne auszurichten.
  • Physikalische Verformung:
    Obwohl die Kerne ausgerichtet sind, ist der Mittelpunkt des Mantels nicht ausgerichtet. Während des Schweißens bildet sich am Stoßpunkt eine asymmetrische Stufe oder es werden signifikante laterale Schubspannungen in die Faser eingeleitet.
  • Ausrichtungsfehler:
    Wenn die Exzentrizität die mechanischen Grenzen der Feinjustiermotoren des Spleißgeräts oder den Toleranzbereich des Ausrichtungsalgorithmus überschreitet, kann das Spleißgerät die Ausrichtung nicht abschließen und gibt eine Fehlermeldung wie „Core Alignment Failed“ oder „Exzentrizität zu groß“ aus.

3. Verschlechterung des Rückflussdämpfung (Return Loss Degradation)

Die unvollkommene Ausrichtung der Kerne führt zu Fresnel-Reflexionen an der diskontinuïlichen Schnittstelle, wo das übertragene Licht reflektiert wird. Wenn die Exzentrizität zu einer erheblichen Kernverschiebung oder lokalen schmelzflüssigen Verformung führt, erhöht sich die vom Licht reflektierte Leistung zurück zum Sender erheblich, was zu einer schlechteren Rückflussdämpfung des Systems führt (d. h. ein kleinerer absoluter Wert der Rückflussdämpfung). Dies kann ernsthafte Rauschstörungen für schnelle kohärente optische Kommunikationssysteme oder hochpräzise Glasfasersensorsysteme verursachen.

4. Verringerte mechanische Zuverlässigkeit und Zugfestigkeit

Wenn das Spleißgerät gezwungen ist, die Kerne auszurichten, was zu einer Mantelverschiebung führt, behält der Spleißpunkt nach dem Schmelzen und Abkühlen eine signifikante mikroskopische geometrische Verzerrung. Bei nachträglichem Aufbringen eines Schrumpfschutzes oder bei Zugtests konzentrieren sich die Spannungen am Rand der Mantelverschiebung. Unter langfristiger thermischer Veränderung oder Vibration ist dieser Bereich anfälliger für Mikrorissbildung, die zu Faserbruch führt.

OFSCN® (OFSCN®) Hochpräzisions-Glasfaserlösungen

Um Schweißverluste und Verschlechterungen der Sensorleistung aufgrund von Konzentrizitätsabweichungen zu vermeiden, kontrolliert Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) in der Produktion seiner Glasfaserprodukte die Konzentrizität von Kern und Mantel extrem streng, um eine extrem geringe Exzentrizität zu gewährleisten und eine ausgezeichnete Spleißkompatibilität sowie extrem niedrige Verluste zu erzielen.

Hier sind die relevanten Hochpräzisions-Glasfaserprodukte: