Какие проблемы могут возникнуть при сварке, если сердцевина оптического волокна смещена от центра?
Отклонение физического параметра, когда сердцевина оптического волокна отклоняется от геометрического центра своего физического поперечного сечения, называется ошибкой концентричности сердцевины/оболочки (Core-to-Cladding Concentricity Error) или эксцентриситетом сердцевины (Core Eccentricity) в оптической инженерии.
В одномодовом волокне, поскольку диаметр сердцевины обычно составляет всего около 9\ \mu\text{m} , а диаметр оболочки — 125\ \mu\text{m} , если сердцевина не находится точно по центру, при сварке оптических волокон (Fusion Splicing) возникают следующие основные технические проблемы:
1. Значительное увеличение потерь при сварке (Splicing Loss Increase)
Это наиболее прямое и серьезное физическое следствие эксцентриситета.
-
Для аппаратов для сварки с выравниванием по оболочке (Cladding-Alignment Splicer / V-образные канавки):
Эти сварочные аппараты (часто используемые для недорогой сварки, сварки многожильных ленточных волокон или быстрой оконцовки на месте) выравнивают внешнюю оболочку волокон только с помощью механических опорных структур, таких как V-образные канавки. Если волокно имеет ошибку концентричности, даже если оболочки выровнены очень точно, между двумя свариваемыми сердцевинами будет существовать физическое поперечное смещение (Lateral Offset) d .
Согласно теории оптики колебаний, одномодовое волокно очень чувствительно к поперечному смещению сердцевины. Смещение сердцевины всего на 1\ \mu\text{m} может привести к дополнительным потерям при сварке от 0.2\ \text{dB} до 0.5\ \text{dB} (что намного выше обычных показателей сварки менее 0.02\ \text{dB} ). -
Модель расчета потерь:
При сварке двух одномодовых волокон с диаметром модового поля \text{MFD} теоретические потери, вызванные поперечным смещением d (без учета наклона и зазора), могут быть приближенно выражены как:\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)^2где w — радиус модового поля ( w \approx \text{MFD}/2 ). Таким образом, потери прямо пропорциональны квадрату расстояния смещения d .
2. Трудности с выравниванием сердцевины, увеличение времени сварки или даже сбой
- Для аппаратов для сварки с выравниванием сердцевины (Core-Alignment Splicer):
Современные сварочные аппараты используют систему выравнивания по контуру (PAS) или фокусировку для прямого получения изображения сердцевины и активного трехмерного выравнивания. Если ошибка концентричности волокна велика, сварочному аппарату придется значительно перемещать двигатели для выравнивания сердцевины. - Физические искажения： Поскольку сердцевина выровнена, но центр оболочки не выровнен, при расплавлении во время сварки в месте соединения образуется асимметричный уступ или в волокно вносится большое поперечное сдвиговое напряжение.
- Сообщения об ошибках выравнивания： Если степень эксцентриситета превышает физический предел двигателя точной регулировки сварочного аппарата или диапазон погрешности алгоритма выравнивания, сварочный аппарат не сможет завершить выравнивание и выдаст сообщение об ошибке «Сбой выравнивания сердцевины» (Core Alignment Failed) или «Чрезмерный эксцентриситет».
3. Ухудшение возвратных потерь (Return Loss Degradation)
Неидеальное соединение сердцевин приводит к отражению Френеля (Fresnel Reflection) на дискретном интерфейсе передаваемого света. Когда эксцентриситет вызывает значительное смещение сердцевины или локальную деформацию плавления, мощность света, отраженного обратно к источнику, значительно увеличивается, что приводит к ухудшению возвратных потерь системы (то есть к уменьшению абсолютного значения возвратных потерь), что может вызвать серьезные шумовые помехи для высокоскоростных когерентных оптических систем связи или высокоточных систем оптических датчиков.
4. Снижение механической надежности и прочности на растяжение
Когда сварочный аппарат вынужден смещать оболочку для принудительного выравнивания сердцевины, в сварном соединении после плавления и охлаждения сохраняются явные микроскопические геометрические искажения. При последующем надевании термоусадочной защитной трубки или при испытании на растяжение напряжения концентрируются по краям смещенной оболочки. В условиях длительных температурных изменений или вибрации в этом месте легче всего распространяются микротрещины, приводящие к обрыву волокна.
Решения OFSCN® (大成永盛) для высокоточных оптических волокон
Чтобы избежать потерь при сварке и ухудшения характеристик датчиков из-за отклонений концентричности, компания Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) в процессе производства своей продукции из оптических волокон осуществляет чрезвычайно строгий контроль технологического процесса концентричности сердцевины и оболочки, обеспечивая чрезвычайно низкую эксцентриситетность для достижения превосходной совместимости при сварке и сверхнизких потерь.
Вот связанные высокоточные продукты из оптических волокон:
-
OFSCN® G.652D Optical Fiber: стандартное одномодовое оптическое волокно G.652D, обеспечивающее превосходную однородность геометрических размеров, диаметр оболочки контролируется в пределах 125 \pm 0.7\ \mu\text{m} , а ошибка концентричности минимальна.
-
OFSCN® G.657 Optical Fiber: стандартное одномодовое оптическое волокно, нечувствительное к изгибу, совместимое со спецификациями G.657A2 или G.657B3. Обеспечивает превосходную производительность при микро- и макроизгибах, гарантируя при этом высокую степень центричности сердцевины.
