Welche Auswirkungen hat ein Falltest auf die interne Struktur des Splitters?
Der Falltest (Drop Test) ist eine wichtige Versuchsmethode zur Bewertung der Stoßfestigkeit von optischen Splittern. Er dient hauptsächlich zur Simulation von momentanen mechanischen Stößen, denen das Gerät während des Transports, der Installation und der routinemäßigen Wartung ausgesetzt sein kann. Die momentane hohe Beschleunigung (oft gemessen in Vielfachen der Erdbeschleunigung, g) beim Fallen übt komplexe physikalische Spannungen auf die mikroskopische und makroskopische Struktur des optischen Splitters aus. Die wichtigsten physikalischen Auswirkungen manifestieren sich in den folgenden vier Schlüsseldimensionen:
1. Mikroskopische Scherung und Verschiebung an den optischen Kopplungs- und Ausrichtungsflächen
Bei Planar-Lightwave-Circuit (PLC)-Splittern liegt die Ausrichtungsgenauigkeit zwischen den Eingangs-/Ausgangs-Array-Faser (Fiber Array, FA) und dem PLC-Wellenleiterchip im Submikrometerbereich (typischerweise eine Präzisionsanforderung von unter \lt 0.5\ \mu\text{m}). Diese präzisen Komponenten werden normalerweise mit speziellen UV-härtenden optischen Klebstoffen verbunden.
Die heftige Verzögerung beim Fallen erzeugt eine enorme momentane Scherkraft. Wenn diese Kraft die Scherfestigkeit der Klebefläche überschreitet, kommt es zu physikalischen Verschiebungen im Mikrometer- oder sogar Submikrometerbereich. Diese mikroskopische Ausrichtungsabweichung führt zu einer erheblichen Zunahme des Einfügedämpfungsgrads ( \text{IL} ) des Geräts und zu einer starken Verschlechterung der Kanalgleichmäßigkeit (Uniformity).
2. Mikroskopische Rissbildung und Delamination des optischen Klebstoffs
Das Innere von Splittern besteht aus einer engen Kombination verschiedener Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) und mechanischen Eigenschaften, wie z. B. Quarzglas, Einkristallin-Silizium, Metall und Polymer. Der momentane Stoßimpuls beim Fallen erzeugt eine starke Spannungskonzentration an den Kontaktflächen unterschiedlicher Materialien. Da polymerisierte Klebstoffe wie optische Klebstoffe nach der Aushärtung eine gewisse mechanische Sprödigkeit aufweisen, können starke mechanische Stöße leicht Mikrorisse (Micro-cracking) in der Klebeschicht verursachen oder sogar zu lokalen Delaminationen führen, was zum Ausfall des optischen Pfades führt.
3. Mikrobogen- und Makrobogenverluste in den internen redundanten Glasfasern
Im Inneren des Gehäuses des optischen Splitters werden normalerweise freiliegende oder engmantelte Glasfasern mit einer gewissen Länge als Spleißpuffer und zum Wickeln (Pigtail Loop) aufbewahrt. Bei starken mechanischen Stürzen können diese Fasern aufgrund von Trägheit heftig verrutschen, wenn keine gute interne Fixierung oder Pufferstruktur vorhanden ist, was zu Makrobogen mit einem extrem kleinen Biegeradius oder lokalen Mikrobogen führt. Dies erhöht nicht nur die Biegedämpfung durch Licht, das aus dem Mantel austritt, sofort, sondern kann auch langfristig durch Rissausbreitung zu Ermüdungsbrüchen der Glasfaser an der Biegungsstelle führen.
4. Spannungsinduzierte Schäden und Mikrorisse in spröden Basismaterialien
Kernoptiken wie PLC-Wellenleiterchips und V-Nut-Substrate (V-Groove) bestehen hauptsächlich aus typischen spröden Materialien wie hochreinem Quarzglas oder Einkristallin-Silizium. In Gehäusen ohne angemessenes stoßfestes Design werden mechanische Stoßwellen direkt auf diese spröden Komponenten übertragen. An den Kanten, Ecken oder Spuren der Mikrofertigung der Komponenten entstehen leicht unsichtbare Mikrorisse (Micro-fracture) aufgrund von Spannungskonzentrationen, was oft die Hauptursache für Ausfälle bei nachfolgenden Umweltsicherheitstests (wie Temperaturzyklen, Temperatur- und Feuchtigkeitsalterung) ist.
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