METHOD FOR PRECISION MACRO-DEFECT FORMING IN SILICA OPTICAL FIBER STRUCTURE

Full Text

Введение На сегодняшний день известно достаточно большое количество публикаций, посвященных исследованию влияния макроструктурных дефектов, сформированных в кварцевых волоконных световодах, на характер распространения оптического излучения в таких оптических волокнах (ОВ) с нанесенными дефектами и их практическому приложению в различных областях волоконной оптики и фотоники. В общем случае, среди подобных дефектов целесообразно выделить, так называемые, «перетяжки» («tapers», в отдельных источниках известные как «конические ответвители» - см. рис. 1а) и «бочки» («up-tapers», в отдельных источниках известные как «bubbles» - «пузыри» - см. рис. 2а), которые находят своё применение в качестве способов решения задачи сращивания волокон не только с разбросом технологических параметров, в частности, например, диаметров сердцевины или диаметра пятна моды [1-5], но и неодинаковой структуры [6-7], в различных устройствах согласования источников оптического излучения с ОВ [3-5; 8-11], а также в локальных сенсорах внешних воздействий измерительных систем на базе волоконно-оптических датчиков [12-20], интерферометрии [16-20] и устройствах управления модовым составом оптического излучения [3-5; 9-11; 8-10, 21]. Нередко эти дефекты используются в сочетании с волоконными решетками Брэгга (ВРБ). При этом они могут наноситься как в непосредственной близости от ВРБ - буквально на расстоянии в несколько диаметров световода, так и сами решетки могут быть записаны на сформированный дефект [22-27]. Подобное сочетание также ориентировано, в основном, на применение в различных приложениях интерферометрии и сенсорики, однако при этом для подавляющего большинства работ и решетка, и дефект наносятся на одномодовые ОВ, а экспериментальные исследования, результаты которых представлены в указанных публикациях, ориентированы исключительно на анализ изменений спектрального отклика оптического сигнала при прохождении данной схемы в одномодовом режиме. Поэтому для ряда практических приложений отдельный интерес представляет измерение как импульсного, так и спектрального откликов при возбуждении когерентными источниками оптического излучения многомодовые ОВ с включением отрезков также многомодовых волоконных световодов, на которые нанесены ВРБ в сочетании с упомянутыми макро-дефектами («бочка» или «перетяжка») в маломодовом режиме передачи оптического сигнала. В общем случае, формирование прецизионных макроструктурных дефектов, в том числе упомянутых выше «перетяжек» и «бочек», с заданными геометрическими параметрами в оптических волноводах требует применения дорогостоящего специализированного лабораторного оборудования. Вместе с тем, известен ряд публикаций - например, [27-28] и др., в которых демонстрируется возможность реализации данных макродефектов с помощью традиционных полевых аппаратов для сварки телекоммуникационных кварцевых ОВ. Данная работа посвящена разработке и экспериментальной апробации методики формирования прецизионных макроструктурных дефектов обоих указанных типов в кварцевых телекоммуникационных ОВ с помощью комплекта полевого сварочного аппарата Ericsson FSU-975 [29]. 160906-132828-781 а) 160906-132803-828 б) Рис. 1. Скриншоты дисплея сварочного аппарата Ericsson FSU-975 по окончании процесса нанесения «перетяжки»: а) фотография дефекта; б) тепловое изображение Общие вопросы формирования макродефектов в структуре кварцевых оптических волокон с помощью полевого сварочного аппарата Как было отмечено выше, для решения данной задачи использовался штатный комплект полевого сварочного аппарата Ericsson FSU-975 [29]. Предварительно, используя типовые установки программного обеспечения, в отрезках промышленных образцов многомодовых ОВ 50/125 категории ОМ2+/ОМ3 было успешно сформировано несколько пилотных образцов искомых макроструктурных дефектов обоих типов. Так, для нанесения «перетяжки» применялась программа №9 «SM Fiber Lens» с предустановленными параметрами. В свою очередь, «бочка» формировалась в процессе выполнения сварного соединения двух отрезков многомодовых ОВ также кат. ОМ2+/ОМ3 по программе №4 «Normal MM - MM» с последующей доводкой световодов «вручную» для формирования искомого дефекта непосредственно в процессе подачи дуги. На рис. 1-2 показаны примеры пилотных образцов полученных прецизионных макродефектов на аппарате Ericsson FSU-975 (а - скриншот макродефекта, б - его тепловое изображение). Вместе с тем, с точки зрения практических приложений в измерительных схемах разного назначения, возникает задача возможности нанесения дефекта с заданными геометрическими параметрами - в частности, длины и диаметра в зоне обжига. Последние непосредственно определяются установленными параметрами программы. Кроме того, для формирования «бочки» еще одним немаловажным фактором является также навык оператора реализации дополнительной подачи ОВ в ручном режиме в зону обжига дуги электродов. 160906-134257-656 а) 160906-134259-015 б) Рис. 2. Скриншоты дисплея сварочного аппарата Ericsson FSU-975 по окончании процесса формирования «бочки»: а) фотография дефекта; б) тепловое изображение Вышесказанное требует проведения дополнительных исследований влияния выбора комбинации соответствующих установок программы сварки на геометрию дефекта, а также стабильности его воспроизведения при этих параметрах, как с точки зрения также геометрии, так и вносимых потерь. При этом возникает проблема корректного определения длины и диаметра дефекта. Очевидным решением данной задачи является визуальная оценка параметров дефекта по сделанным в процессе сварки скриншотам и тепловым изображениям зоны обжига, снимаемым с видеовыхода сварочного аппарата. Однако вопрос перехода от относительных значений геометрических параметров, нормированных на диаметр оболочки ОВ, к фактическим остается открытым: известно, что для многомодовых ОВ отклонение диаметра оболочки от номинального значения 125 мкм может достигать до 2 мкм включительно [30-31]. В результате на первом этапе потребовалось проведение дополнительной разработки методики оценивания геометрических параметров макроструктурного дефекта по скриншотам дисплея сварочного аппарата. Разработка методики оценивания геометрических параметров прецизионных макроструктурных дефектов Для решения сформулированной выше задачи было подготовлено 12 отрезков промышленных образцов многомодовых ОВ категории ОМ2 длиной не менее 0,5 м каждый и далее с помощью анализатора ОВ EXFO NR-9200HR Optical Fiber Analyzer проведены измерения профиля показателя преломления, протоколы которых включают в себя непосредственно массивы данных радиальной координаты в условных сечениях «Х» и «Y». Таким образом, значение радиальной координаты, локализованное по протоколу на границе раздела оболочка/иммерсионная жидкость принималось за действительное в левой или правой части заданного сечения (см. рис. 3). Рис. 3. Протокол измерения профиля показателя преломления тестируемого отрезка образца ОВ №А04-02: условное сечение «Х», диаметр оболочки 123,44 мкм Для последующей идентификации концы тестируемых отрезков ОВ после погружения в кювету анализатора EXFO соответствующим образом маркировались, затем этот же отмеченный конец ОВ закладывался в каретку сварочного аппарата Ericsson FSU-975, цифровое изображение которого с дисплея через видеовыход выводилось в ПЭВМ и, после соответствующей обработки в графическом редакторе, также позволяло получить искомый диаметр ОВ по оболочке уже непосредственно в пикселах (см. рис. 4). Данная процедура повторялась для каждого из 12 образцов. Таким образом, в результате сопоставления количества пикселов изображения ОВ и действительного значения диаметра ОВ по оболочке, согласно протоколу измерения, после проведения соответствующего статистического анализа был получено эмпирическое значение поправочного коэффициента 1,523 мкм/пиксел. Это позволило далее непосредственно перейти к исследованию влияния установок программного обеспечения на геометрические параметры формируемого макроструктурного дефекта. Рис. 4. Визуальная оценки геометрических параметров ОВ по результатам анализа выведенного на экране дисплея сварочного аппарата изображения ОВ: условное сечение «Х» после обработки в графическом редакторе (коррекция цвета и контраста) - 81 пиксел Экспериментальные исследования зависимости геометрических параметров «перетяжек» от установок программного обеспечения сварочного аппарата Как было отмечено выше, для нанесения «перетяжек» используется программа №9 «SM Fiber Lens». Согласно [29], именно на втором этапе подачи дуги осуществляется процедура вытяжки зоны обжига ОВ. Поэтому можно предположить, что время подачи дуги «2» (Fusion Time 2) и ток дуги «2» (Fusion Current 2) в основном будут определять геометрию «перетяжки». По умолчанию значения указанных параметров составляют 7 с и 12 мА, соответственно. На первом этапе исследовалось влияние установки тока дуги «2» при фиксированном времени сварки «2». Значение данного параметра варьировалось, начиная от 0 до 14 мА, включительно. При этом последующее увеличение приводило к прожиганию перетяжки. Сварка осуществлялась между волокнами строительных длин катушек многомодовых ОВ 50/125 категории ОМ2+/ОМ3 протяженностью по 400 м каждая, предварительно оконцованных пигтейлами FC/UPC. После окончания процесса нанесения «перетяжки» с помощью оптического рефлектометра обратного рассеяния (OTDR) проводился тест на прохождение оптического сигнала. В качестве примера на рис. 5 представлена полученная в результате сопоставления данных диаграмма зависимости диаметра «перетяжки» от тока дуги «2». Рис. 5. Диаграмма зависимости диаметра «перетяжки» dtaper в зоне обжига от установленного значения тока дуги «2» На следующем этапе варьировалось время подачи дуги «2» при фиксированном токе дуги «2» 10 мА. Значение данного параметра исследовалось в диапазоне от 0 до 12 с, при этом последующее его увеличение приводило к разрыву «перетяжки». Диаграмма зависимости диаметра «перетяжки» от времени подачи дуги «2» приведены на рис. 6. Рис. 6. Диаграмма зависимости диаметра «перетяжки» в зоне обжига от установленного значения времени подачи дуги «2». Анализ полученных результатов экспериментальных исследований позволил выбрать наиболее оптимальную, с точки зрения соотношения диаметра и длины «перетяжки», комбинацию параметров дуги этапа «2»: время подачи дуги «2» 6 с, ток подачи дуги «2» 10 мА. В данном случае обеспечивается уменьшение диаметра световода в зоне обжига не менее чем в 2 раза, по сравнению с диаметром ОВ оболочки. Однако при этом область дефекта достаточно прочная, при извлечении из юстировочных кареток сварочного аппарата не разрушается, а последующее подключение OTDR демонстрирует возможность прохождения оптического сигнала через данную сформированную волоконно-оптическую структуру. Экспериментальные исследования зависимости геометрических параметров «бочек» от установок программного обеспечения сварочного аппарата Аналогичные исследования были проведены для установок программы сварки при нанесении «бочек». Как было отмечено выше для нанесения перетяжек использовалась программа №04 «Normal MM + MM» для сварки стандартных многомодовых ОВ с последующей доводкой световодов «вручную» для формирования искомого дефекта непосредственно в процессе подачи дуги. При этом уже на стадии изготовления пилотных «бочек» потребовалась коррекция ряда установок программы, исходя из визуальной оценки качества полученного образца (плавность перехода, габариты, глубина прожигания и пр.). В частности, возникла необходимость в усиленном разогреве торцов ОВ на стадии выполнения сварного соединения до их непосредственного соприкосновения, т.к. при стандартных предустановленных времени подачи и токе дуги «1» (2 с и 12 мА) диаметр сформированной «бочка» в зоне обжига слабо отличался от исходного диаметра оболочки ОВ. В результате эмпирического подбора указанные параметры были увеличены до 5 с и 15 мА, соответственно. Также потребовалось изменение предустановленных по умолчанию аналогичных параметров «релаксационного» этапа «3» сварки (1 с и 12,5 мА), которые не обеспечивали искомую плавность перехода «бочки», сформированной, как было отмечено выше, в результате доводки волокон в «ручном» режиме на этапе «2» сварки. Таким образом, время подачи и ток дуги «3» в результате серии проведенных экспериментальных реализаций пилотных образцов «бочек» были увеличены до 5 с и 10 мА, соответственно. После коррекции перечисленных установок программы №04 далее были проведены исследования влияния параметров этапа «2» выполнения сварного соединения, непосредственно определяющего процесс сплавления сращиваемых ОВ, на геометрические параметры «бочки». По аналогии с предыдущим пунктом, первая серия тестов предполагала получение зависимости тока дуги «2» при фиксированном времени сварки «2» 7 с (увеличено на 5 с относительно предустановленного для реализации вспомогательной доводки торцов ОВ). Здесь значение тока дуги «2» варьировалось в диапазоне от 0 до 20 мА, включительно. Результаты сопоставления диаметра dup-taper «бочки» в виде диаграммы зависимости от тока дуги «2» представлены на рис. 7. Рис. 7. Диаграмма зависимости диаметра «бочки» dup-taper в зоне обжига от установленного значения тока дуги «2» На следующей стадии испытаний варьировалось время подачи дуги при фиксированном токе дуги «2» 15 мА. Значение данного параметра исследовалось в диапазоне от 0 до 10 с, при этом последующее его увеличение приводило к прожиганию «бочки». Диаграмма зависимости диаметра «бочки» dup-taper от времени подачи дуги «2» приведена на рис. 8. Рис. 8. Диаграмма зависимости диаметра «бочки» dup-taper в зоне обжига от установленного значения времени подачи дуги «2» Анализ полученных результатов экспериментальных исследований позволил выбрать наиболее оптимальную, с точки зрения соотношения диаметра и длины «бочки», комбинацию параметров дуги этапа «2», при соответствующих практических навыках оператора, необходимых для вспомогательной доводки световодов «вручную» в процессе подачи дуги «2», а также результатов контроля прохождения оптического сигнала через такую волоконно-оптическую структуру, выполняемого с помощью OTDR. Таким образом, ток дуги «2» 15 мА гарантированно обеспечивает увеличение диаметра дефекта не менее чем в 1,5 раза относительно исходного диаметра оболочки ОВ 125 мкм, а время подачи дуги «2» 5 с - сформировать «бочку» без внесения дополнительных искажений в структуру световода, которые, как показала серия тестов, возникают при последующем увеличении указанного параметра и негативно влияют на вносимые потери. Экспериментальные исследования стабильности воспроизведения прецизионных макродефектов в структуре кварцевых волоконных световодов Следующая серия тестов включала в себя экспериментальные статистические исследования стабильности воспроизведения геометрических и параметров передачи макродефектов обоих типов, формируемых в структуре кварцевых многомодовых ОВ по скорректированным соответствующим образом программам №09 и №04 сварочного аппарата Ericsson FSU-975. На первом этапе исследовались «перетяжки»: для этой цели на стыке одних и тех же промышленных образцов строительных длин многомодовых ОВ категории ОМ2+/ОМ3 (катушки длиной по 400 м) были многократно сформированы данные дефекты. На основании предложенной методики оценивания геометрических параметров по окончании нанесения дефекта определялись диаметр dtaper и длина Ltaper «перетяжки». Затем с помощью OTDR на рабочей длине волны l = 1310 нм методом обратного рассеяния осуществлялись измерения вносимых потерь. Всего был подготовлен 31 образец описанной волоконно-оптической структуры, из них 3 «перетяжки» были разрушены либо непосредственно при подаче дуги, либо в процессе извлечения из юстировочных кареток. Также через каждые 10 испытаний проводилась дуговая чистка электродов сварочного аппарата в соответствующем режиме [29]. Рис. 9. Гистограмма статистики значений диаметра «перетяжки» dtaper На рис. 9-10 представлены гистограммы статистики распределения значений диаметра «перетяжки» и соответствующих значений вносимых потерь. Несмотря на сравнительно большой разброс значений диаметра полученных образцов, который, за исключением отдельных образцов, может достигать до 12% относительно среднего dtaper = 52,62 мкм, при формировании «перетяжки» по скорректированной соответствующим образом программе вносимые потери в общем случае не будут превышать 1,35 дБ. Рис. 10. Гистограмма вносимых потерь на «перетяжках». Аналогичным образом, далее по скорректированной программе №04 на стыке тех же промышленных образцов строительных длин многомодовых ОВ категории ОМ2+/ОМ3 были многократно сформированы «бочки». Так же, как и в предыдущем случае, после нанесения дефекта проводилась оценка его геометрических параметров и далее с помощью OTDR проводились измерения вносимых потерь. Всего было проведено 40 тестов. Рис. 11. Гистограмма статистики значений диаметра «бочки» dup-taper. Гистограммы статистики распределения значений диаметра dup-taper и вносимых потерь сформированных «бочек» приведены на рис. 11-12. Согласно полученным результатам, при формировании «бочки» по скорректированной соответствующим образом программе №04 вносимые потери в подавляющем большинстве случаев не более 3 дБ. Однако для отдельных образцов дефекты могут достигать больших значений (вплоть до 5,5 дБ), что объясняется необходимостью выполнения вспомогательной доводки ОВ оператором непосредственно в процессе подачи дуги в ручном режиме. Этот же фактор определяет и увеличенный диапазон разброса диаметров дефектов, который для большинства реализованных «бочек» составляет до 15% относительно среднего dup-taper = 211,58 мкм. Рис. 12. Гистограмма вносимых потерь на «бочках» Заключение Предложена методика формирования прецизионных макроструктурных дефектов типа «перетяжка» и «бочка» в кварцевых многомодовых оптических волокнах с помощью штатного комплекта полевого сварочного аппарата Ericcson FSU-975 и его модифицированного соответствующим образом программного обеспечения. Разработана оригинальная методика оценивания геометрических параметров макродефектов по результатам анализа фотографии зоны обжига, сделанной по окончании процесса нанесения дефекта на ОВ и выведенной на дисплей сварочного аппарата. Проведена серия экспериментальных исследований влияния установок программ аппарата на геометрические параметры дефектов, что далее позволило разработать практические рекомендации по коррекции предустановленных параметров, в частности, времени подачи и тока дуги программ №09 и №04 для «перетяжек» и «бочек», соответственно. Представлены результаты исследований стабильности воспроизведения макродефектов, как с точки зрения их геометрии, так и базового параметра передачи - вносимых потерь. Анализ полученных результатов показал, что для «перетяжек», нанесенных на кварцевые многомодовые ОВ по скорректированной программе, вносимые потери, в общем случае, не превышают 1,35 дБ при разбросе значений диаметра полученных образцов дефекта вплоть до 12% относительно среднего dtaper = 52,62 мкм при гарантированном уменьшении диаметра световода в центре зоны обжига не менее чем в 2 раза относительно номинального диаметра оболочки типовых кварцевых телекоммуникационных ОВ 125 мкм. При нанесении дефектов типа «бочка» на ОВ с помощью этого же аппарата для отдельных образцов вносимые потери могут достигать значений вплоть до 5,5 дБ и, в среднем, не превышают 3 дБ: здесь сам процесс формирования «бочки» проводится вручную, качество дефекта во многом зависит от соответствующих практических навыков оператора. Однако и в этом случае диапазон разброса диаметров дефектов для большинства реализованных «бочек» составляет менее 15% относительно среднего dup-taper = 211,58 мкм при общем гарантированном увеличении диаметра световода в центре зоны обжига не менее чем в 1,5 раза также относительно номинального диаметра оболочки 125 мкм.

About the authors

Vladimir Alexandrovich Andreev

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Anton Vladimirovich Bourdine

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: bourdine@psuti.ru

Vladimir Alexandrovich Burdin

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: burdin@psati.ru

Alexander Alexandrovich Vasilets

Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev

Email: a.vasilets@mail.ru

Sergey Alexandrovich Gavryushin

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: sagasg@inbox.ru

Alexander S. Evtushenko

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: alex2194ru@yandex.com

Vadim Sergeevich Kazakov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: vadim.kazakov5@gmail.com

Oleg Gennadievich Morozov

Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev

Email: microoil@mail.ru

Nikita Lvovich Sevruk

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: nikasevruk@mail.ru

Eugeniy Dmitrievich Sokolov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: carlcarlson@list.ru

References

Supplementary files