استرس و تنش فیبر نوری در اتصال فیوژن

استرس و تنش فیبر نوری در اتصال فیوژن، تار های فیبر نوری همواره دارای تنش‌ و استرس های الاستیک بجای مانده از مواد تشکیل دهنده آن‌ها و همچنین ناشی از فرآیند های تولید فیبر نوری می باشند. منظور ما از بجای مانده این است که تنش ها و استرس ها در تار فیبر نوری به شکلی اجتناب ناپذیر وجود دارند حتی زمانی که هیچ نیروی خارجی به فیبر وارد نشود. در برخی موارد، تنش‌ها و استرس های ایجاد شده جهت برقراری خواص هدایت‌کننده نور در تار فیبر حیاتی می باشند. به عنوان مثال، در بیشتر فیبر های سینگل مد PM تار دارای یک میدان تنش باقی مانده متقارن غیر شعاعی می باشد که باعث شکست دوگانه مطلوب می شود.

در دمای اتاق، تار فیبر نوری به عنوان یک ساختار جامد الاستیک در نظر گرفته می شود و به این معنی که تنش ها و کرنش ها به طور خطی با هم مرتبط می باشند. تنش ها و کرنش های بجای مانده بر خواص نوری و مکانیکی فیبر تاثیر می گذارند. دماهای بالا که در حین اتصال فیوژن تجربه می‌شوند، تنش و حالت کرنش بجای مانده تار فیبر را در مجاورت با هم تغییر می‌دهند و بنابراین می‌توانند خواص نوری و مکانیکی فیبر را نیز تحت تاثیر قرار دهند. در این بخش، نحوه تعامل فیوژن با تنش و حالت کرنش بجای مانده از تولید تار فیبر را مورد بحث قرار خواهیم داد.

فهرست مطالب:

1. استرس و تنش تار فیبر در اتصال فیوژن
   1. منابع تنش
   2. ارتباط تنش با فیوژن

استرس و تنش فیبر نوری در اتصال فیوژن

منابع تنش

دو مکانیزم اصلی جهت القای تنش‌ها و استرس های بجای مانده از تولید در فیبرهای نوری وجود دارد: تنش حرارتی و تنش مکانیکی ناشی از کشش. تنش حرارتی ناشی از تغییرات شعاعی در ضریب انبساط حرارتی تار فیبر نوری می باشد. این تغییرات شعاعی در انبساط حرارتی ناشی از تغییرات شعاعی در غلظت ناخالصی است. سیلیس دارای ضریب انبساط حرارتی در حدود 5.5 × 10⁻⁷ K⁻¹ از دمای اتاق تا نقطه کرنش می باشد. بیشتر مواد ناخالصی مانند ژرمانیوم، فسفر و بور ضریب انبساط حرارتی شیشه سیلیس را افزایش می دهند. برخی از مواد ناخالصی نیز، مانند فلوئور و تیتانیوم، ضریب انبساط حرارتی شیشه سیلیس را کاهش می دهند. تغییر در ضریب انبساط حرارتی به صورت خطی با غلظت ناخالصی زمانی که غلظت کم می باشد مقیاس می‌شود.

A.1 تعییرات دمایی فیبر

هنگامی که یک پریفرم فیبر نوری تولید می‌ گردد و یا یک تار فیبر نوری کشیده می‌شود، اجزای مختلف شیشه در ابتدا در دمای بالا در تعادل مکانیکی می باشند. با سرد شدن و جامد شدن شیشه، از نظر حرارتی منقبض می گردند. نواحی شیشه ای با ضریب انبساط حرارتی بالاتر سعی می نمایند پس از خنک شدن مقدار بیشتری انقباض نمایند. سایر مناطق شیشه ای با ضریب انبساط حرارتی پایین تر در مقابل این انقباض حرارتی گسترده مقاومت می نمایند. نتیجه نهایی حالت بجای مانده تنش حرارتی است که در آن نواحی تار فیبر سیلیس خالص به طور کلی تنش محوری فشاری را تجربه می نمایند، در حالی که نواحی بسیار ناخالص فیبر به طور کلی تنش محوری کششی را تجربه می‌ نمایند. (شکل A.2a). به منظور ایجاد تعادل مکانیکی، تنش حرارتی بجای مانده در روکش کلد Caldding بسیار کمتر از تنش حرارتی در هسته است چراکه سطح مقطع بسیار بزرگ‌تری نسبت به هسته دارد. تنش‌های باقی مانده حرارتی محوری در یک هسته فیبر نوری سینگل مد SMF به طور معمول در حدود 20 مگاپاسکال است. راه حل های کلی جهت تنش باقیمانده حرارتی در فیبر نوری در مقالات معتبر IEEE موجود است.
اکثر تار های فیبر نوری سینگل مد PM انکسار مضاعف خود را از تنش حرارتی به دست می آورند. روکش کلد بسیاری از تارهای PM شامل مناطقی از روکش شیشه ای با ضریب انبساط حرارتی به ویژه بالا است که به آن اعضای استرس زا گفته می شود. هنگامی که این تارهای نوری به دنبال فرآیند کشش سرد می شوند، تنش های باقی مانده قابل توجهی از تفاوت در انبساط حرارتی بین مناطق انبساط حرارتی کم و زیاد ایجاد می شود. نواحی به شیوه ای متقارن غیر شعاعی توزیع می شوند تا یک میدان تنش متقارن غیر شعاعی را ایجاد نمایند که باعث شکست مضاعف در فیبر می شود.

مکانیزم دیگر جهت ایجاد تنش بجای مانده از تولید در فیبر نوری، تنش مکانیکی ناشی از کشش است. تغییرات در غلظت ناخالصی منجر به تغییر در ویسکوزیته شیشه می شود. در طول فرآیند کشش تار فیبر، کشش در ابتدا توسط کل پیش‌فرم (پریفرم) فیبر تحمل می‌شود. همانطور که فیبر کشیده شده سرد می شود، شیشه با بالاترین ویسکوزیته در تار، به طور معمول روکش کلد سیلیس خالص، ابتدا جامد می شود در حالی که شیشه با ویسکوزیته پایین، به طور معمول هسته فیبر رقیق شده، نسبتا نرم باقی می ماند. در این نقطه، کشش نزدیک عمدتا توسط شیشه با ویسکوزیته بالا تحمل می شود، بنابراین کلد به صورت کشسانی کشیده می شود. شیشه با ویسکوزیته پایین جریان می یابد تا با ابعاد شیشه با ویسکوزیته بالا که به صورت کشسانی کشیده شده است مطابقت داشته باشد. با سرد شدن بیشتر تار فیبر، شیشه کم ویسکوزیته جامد می شود و کشش نزدیک حذف می شود. هنگامی که کشش برداشته می شود، شیشه با ویسکوزیته بالا به صورت ارتجاعی منقبض می شود، با این حال شیشه کم ویسکوزیته جامد شده با آن رابطه معکوس دارد. بنابراین شیشه کم ویسکوزیته در فشار محوری و شیشه با ویسکوزیته بالا در کشش محوری قرار دارند (شکل A.2b).

شکل A.2 تصویر شماتیک از میدان های تنش در یک فیبر نوری شاخص پله ای با یک هسته با قطر کوچک (مساحت کوچک) و یک روکش کلد با قطر بزرگ (مساحت بزرگتر). σ_zz به تنش محوری در فیبر اشاره دارد. زمانیکه σ_zz > 0 تنش کششی است و زمانی که σ_zz < 0 تنش فشاری است. (a) تنش های حرارتی باقی مانده ناشی از ضریب انبساط حرارتی بالا در هسته و ضریب انبساط حرارتی پایین در روکش کلد. (b) تنش باقی مانده مکانیکی ناشی از کشش ناشی از هسته کم ویسکوزیته و روکش کلد با ویسکوزیته بالا

از آنجایی که سطح مقطع روکش کلد شیشه سیلیس خالص با ویسکوزیته بالا بسیار بزرگتر از هسته شیشه ای با ویسکوزیته پایین است، تنش های مکانیکی باقی مانده ناشی از کشش در هسته بسیار بزرگتر از روکش کلد است. مشاهدات مهم دیگر این است که بزرگی تنش ها و کرنش های بجای مانده ناشی از کشش به صورت خطی با کشش نزدیک مقیاس می شود. هنگامی که تار فیبر نوری با کشش کم (<100 گرم) کشیده می شود، تنش ها و استرس های باقی مانده به طور معمول از انقباض حرارتی دیفرانسیل ناشی می شود. در تارهای فیبری که در کشش نزدیک بالاتر کشیده می شوند، تنش ها و استرس های بجای مانده به طور معمول از اثرات ناشی از کشش ناشی می شوند. هنگامی که تار فیبر با کشش بسیار بالا کشیده می شود، تنش های مکانیکی فشاری باقیمانده ناشی از کشش محوری در هسته می تواند به اندازه 200 مگاپاسکال باشد.

ارتباط تنش تار فیبر نوری با فیوژن

تغییرات در استرس و حالت تنش بجای مانده در فیبر ناشی از اتصال فیوژن می‌تواند بر خواص مکانیکی و نوری اسپلایس تاثیر مستقیم داشته باشد. در طول اتصال فیوژن، نوک تار های فیبر نوری به طور معمول تا دمایی حرارت می بینند که با دمای کشش هسته فیبر اختلاف ناچیزی دارد. بنابراین اتصال فیوژن هر گونه تنش و کرنش باقی مانده ناشی از کشش اولیه را به نوعی پاک می سازد. با این حال، تنش‌های حرارتی باقی مانده به تار فیبر زمانی که در اثر دمای اتصال سرد می‌شود بازگردانده می‌شود. بازیابی میدان تنش حرارتی اولیه برای برخی از انواع اتصال فیوژن از اهمیت حیاتی برخوردار است. به عنوان مثال، فیوژن تارهای فیبر PM دارای تداخل افت کم و قطبش کم می باشند چراکه حالت تنش حرارتی باقیمانده که منجر به دو طرفه شدن فیبر می شود، توسط چرخه حرارتی تجربه شده در طول اتصال فیوژن تغییر نمی کند. به همین جهت توصیه می گردد از متخصصین با تجربه و دستگاه های فیوژن استاندارد جهت انجام فرایند فیوژن استفاده فرمایید.

تنش بحای مانده در فیبر نوری از طریق اثر تنش نوری بر ضریب شکست تاثیر می گذارد. چنانچه ضریب شکست فیبر بدون تنش همگرا در نظر گرفته شود و با n نشان داده شود، اجزای ضریب شکست فیبر تحت تنش به صورت زیر بیان شود.

که در آن p و q ضرایب تنش نوری هستند و n_r، n_z، و n_φ ضرایب شکست نور قطبیده شده در جهت شعاعی، محوری و ازیموتالی (سمتی) می باشند. علاوه بر این، σrr، σ_zz و σ_φφ به ترتیب تنش های نرمال در جهت شعاعی، محوری و ازیموتال هستند. تقارن شعاعی و محوری یک فیبر نوری تضمین می نماید که فقط اجزای تنش معمولی غیرصفر می باشند. ضرایب نوری تنش برای سیلیس به صورت p = -6.5×10^-13 Pa^-1 و q = -4.2×10^-12 Pa^-1 اندازه گیری شده است.

میدان تنش باقی مانده در یک فیبر نوری خود را به صورت انکسار مضاعف نشان می‌دهد که می‌توان آن را با یک پلارسکوپ اندازه‌گیری نمود. Chu و Whitbread نخستین افرادی بودند که گزارش دادند که اتصال فیوژن تنش باقی مانده در فیبرهای نوری را تغییر می دهد. آنها انکسار دوگانه یک فیبر نوری را در مجاورت یک اتصال همجوشی (فیوژن فیبر نوری) اندازه‌گیری نمودند و نشان دادند که فرایند اتصال، تنش‌های مکانیکی باقی مانده ناشی از کشش را حذف می نماید و تنها تنش‌های باقی مانده ناشی از انقباض حرارتی دیفرانسیل را به جای می‌گذارد. محققان با نظارت بر نرخ تغییر انکسار دوگانه یک فیبر نوری، میزان کاهش تنش را اندازه‌گیری نمودند و از آن برای تخمین دمای حاصل از اتصال فیوژن استفاده کردند.

تغییرات تنش مرتبط با زوایای خواب تار، تنش‌های مکانیکی باقی مانده ناشی از کشش با تنش‌های بجای مانده مرتبط است. از آنجایی که این تنش ها می توانند به میزان 200 مگاپاسکال در هسته یک فیبر باشند، تغییر ضریب شکست مرتبط با زاویه استراحت یا خواب آنها در مرتبه 0.00013 است. یک تغییر ضریب شکست موضعی با این بزرگی، تاثیر ناچیزی بر ویژگی‌های هدایت موج در اکثر تارهای فیبر نوری دارد.

ضریب شکست فیبرهای نوری خاص را می توان با گرمایش موضعی تغییر داد. این تغییرات ضریب شکست می تواند به بزرگی 0.0015 باشد و تصور می شود که ناشی از حرارت دهی زوایای خواب تار و تنش های مکانیکی بزرگ ناشی از کشش باشد. معادلات (A.3a-A.3c) نشان می دهد که تغییر متناظر در تنش باقی مانده هسته باید در مرتبه 2GPA باشد! تغییرات ضریب شکست مشابه در هنگام همجوشی (فیوژن) فیبر نوری با چنین تنش‌های بجای مانده ناشی از کشش زیاد مورد انتظار است. در هر صورت، این تغییرات ضریب شکست به اندازه تغییرات معمول ناشی از انتشار ناخالصی نیست.

استحکام اتصال فیوژن فیبر نوری و همچنین تار فیبر نوری در درجه اول با شرایط سطح بیرونی تار فیبر نوری تعیین می شود. نقص در سطح بیرونی تار فیبر نوری می تواند به عنوان محل مناسبی برای رشد ترک عمل نماید. استحکام یک فیبر نوری را می توان با ایجاد یک تنش فشاری باقی مانده به بیرونی ترین بخش روکش فیبر افزایش داد. این تنش فشاری باقی مانده رشد ترک را سرکوب می نماید. انقباض حرارتی دیفرانسیل می تواند چنین تنش فشاری را به سطح بیرونی روکش کلد فیبر وارد نماید، به شرطی که سطح بیرونی از شیشه ای با ضریب انبساط حرارتی پایین تر از شیشه داخلی ساخته شده باشد. بیشتر تار های فیبر نوری سیلیس از یک هسته با ضریب انبساط حرارتی بالاتر ساخته شده اند که توسط شیشه سیلیکا با ضریب انبساط حرارتی پایین تر پوشانده شده است، بنابراین از مقدار کمی از تنش فشاری در سطح بیرونی خود بهره مند می گردند.

با این حال، هنگامی که تار فیبر نوری با کشش بالا کشیده می شود، روکش کلد سیلیس می تواند تنش های کششی باقیمانده را تجربه نماید. از آنجایی که اتصال فیوژن تنش حرارتی بجای مانده را تغییر نمی دهد، اما هر گونه تنش ناشی از کشش باقی مانده در مجاورت محل اتصال را از بین می برد، اتصال فیوژن تنش کششی بجای مانده روکش را گسترده تر نمی نماید، مشروط بر اینکه فیبر دارای شیشه ای با ویسکوزیته بالا باشد. سطح بیرونی آن در واقع، تغییرات ناشی از اتصال فیوژن در حالت تنش باقی مانده فیبر تنها می‌تواند تنش محوری باقیمانده در روکش (و روی سطح روکش کلد) را فشرده‌تر نماید و در نتیجه در برابر ترک مقاومت بیشتری داشته باشد. با این حال، این مزیت به طور معمول با عیوب سطحی ایجاد شده بر روی سطح فیبر در طول اتصال همجوشی، به ویژه در ناحیه فیوژن و بلافاصله مجاور اتصال فیوژن که تا دماهای متوسط گرم می شود، جبران می شود. همانطور که بحث شد آسیب سطح تار فیبر نوری همچنین می تواند در نتیجه از بین بردن پوشش پلیمری تار فیبر نوری، افت بی دقتی، یا از الکترودهای ارائه دهنده قوس فرسوده باشد.

تنش‌های حرارتی باقی مانده می‌توانند اتصالات همجوشی بین ترکیب‌های خاصی از فیبرهای نوری را مختل نمایند. به عنوان مثال، فیوژن فیبرهای نوری بر پایه سیلیس به فیبرهای نوری ساخته شده از شیشه های با دمای پایین تر از جمله فلوراید، اکسید بیسموت، کالکوژنید، بوروسیلیکات و یا فسفات سیلیکا بسیار دشوار است، ضریب انبساط حرارتی این شیشه ها با شیشه سیلیسی بسیار متفاوت است. علاوه بر این، دمای ذوب پایین این شیشه‌ها، دمای اتصال فیوژن پایین‌تری را ایجاب می‌کند که در آن نوک تار های نوری شیشه سیلیس جامد باقی می‌ماند. شیشه با دمای پایین تر در اطراف نوک فیبر سیلیسی جامد جریان می یابد و احتمالا به آن متصل می شود. اگرچه یک اتصال می تواند در دماهای بالا ایجاد شود، با سرد شدن فیوژن، انقباض حرارتی تفاضلی بین دو تار فیبر به قدری زیاد است که تنش های حرارتی زیادی ایجاد می نماید به طوری که اتصالات همجوشی بین تار های فیبر سیلیس و شیشه های دمای پایین استحکام مکانیکی بسیار ضعیفی از خود نشان می دهند. اغلب شکننده تر از آن است که بتوان آن را اداره نمود.

انتقال حرارت در طول اتصال فیبر نوری یک ترکیب غیرخطی پیچیده از تابش، همرفت و هدایت ناپایدار است. نوک تار فیبر در تخلیه قوس توسط تابش و همرفت گرم می شود در حالی که رسانش و تابش در جهت محوری مقداری از این گرما را از اتصال دور می سازد. نوک فیبر در عرض چند صد میلی ثانیه گرم و سرد می شود. دمای فیبر با توجه به موقعیت شعاعی تا حد زیادی یکنواخت است، با این حال به عنوان تابعی از موقعیت محوری متفاوت است. پهنای مشخصه ناحیه گرم شده به عرض منبع گرما بستگی دارد اما معمولا حدود یک میلی متر است.

نیروهای مکانیکی مانند نیروهای اعمال شده توسط نگهدارنده های اسپلایسر ها و همچنین کشش سطحی و ویسکوزیته نقش مهمی در شکل دادن به فرآیند اتصال فیوژن دارند. انواع پدیده های مهم مانند خمش، کمانش، مخروط شدن، حباب ها و انحراف تار فیبر به نیروهای مکانیکی ایجاد شده در حین اتصال فیوژن وابسته است. ایجاد یک اتصال فیوژن فیبر نوری با افت پایین و با استحکام بالا مستلزم شناخت این پدیده ها و نیروهای کنترل کننده آنها است.

دماهای بالا در طول اتصال می تواند منجر به ایجاد مقادیر قابل توجهی از انتشار ناخالصی شود که می تواند به طور قابل توجهی شاخص ضریب شکست و در نتیجه خواص نوری و مکانیکی یک فیبر در مجاورت یک اتصال همجوشی را تغییر دهد. تعیین کمیت انتشار ناخالص خطی نسبتا آسان است، اگرچه ضرایب انتشار برای مواد ناخالص معمولی در سیلیس به درستی در مقالات علمی مشخص نشده است. درک انتشار ناخالصی به ویژه هنگام اتصال تار های فیبر نوری با هسته های کوچک و ناخالصی های بسیار متحرک مانند فلوئور مهم است. انتشار ناخالصی می تواند برای کیفیت اتصال فیوژن مضر و یا سودمند باشد.

اتصال فیوژن می تواند تنش و کرنش بجای مانده در فیبر را تغییر دهد، که می تواند ویژگی های نوری و مکانیکی تار نوری را که در مجاورت اتصال فیوژن است تغییر دهد. تصور می‌شود که تاثیر روی شاخص ضریب شکست بسیار اندک است، با این حال تاثیر آن بر استحکام مکانیکی ممکن است بیشتر باشد. کاهش تنش‌های مکانیکی باقی مانده ناشی از کشش می‌تواند تنش کششی سطحی را در مجاورت یک اتصال کاهش دهد و در نتیجه استحکام مکانیکی و قابلیت اطمینان طولانی‌مدت فیبر را افزایش دهد. با این حال، این اثر معمولا با اثرات دیگری که بر استحکام مکانیکی فیبر تاثیر می‌گذارند، مانند آسیب سطحی که در حین برداشتن یا جابجایی تار فیبر ایجاد می‌شود، جبران می‌گردد.

راهنما دستگاه فیوژن فیبر نوری

فیوژن فیبر نوری