مفهوم هم ترازی فیبر در فیوژن

مفهوم هم ترازی فیبر در فیوژن، هنگامی که دو انتهای تار فیبر نوری نرم شده تحت تاثیر قوس الکتریکی و حرارت همراه در حین اتصال به یکدیگر لمس می شوند، کشش سطحی باعث تراز شدن روکش های دو انتهای تار های فیبر با یکدیگر می شود (شکل A.1)، حتی اگر روکش ها در ابتدا جابجا شده باشند. هم‌ترازی فیبر به هم‌ترازی هسته ها و کلد های تار های نوری قرار گرفته در طول جزئی و یا کامل روبروی هم جهت یک اتصال فیوژن متصل نشده اشاره دارد. یک هم ترازی صحیح و پیوسته، یک اتصال فیوژن بدون عیب و نقص را ایجاد می نماید. با در نظر گرفتن هندسه در شکل A.1، نیروی بازگرداننده کشش سطحی” F_r ”  برابر است با:

A.2 نیروی بازگرداننده کشش سطحی

که در آن δ_clad انحراف کلد تار است، L عرض بخشی از تار فیبر است که به اندازه کافی حرارت دیده است تا جریان داشته باشد، δ_clad << D_fiber, &  δ_clad << L . تخمین طول فیبر به حرارت دیده برای جریان، L، دشوار است چراکه دمای فیبر تخمین زده می شود. و از این رو ویسکوزیته آن در طول آن از ناحیه حرارت دیده تا ناحیه گرم نشده به آرامی تغییر می نماید. با این حال، مشاهدات تجربی تغییر شکل فیبر نشان می‌دهد که جهت اهداف این تجزیه و تحلیل، L در مرتبه 50 میکرومتر هنگام اتصال فیبر نوری با قطر کلد 125 میکرومتر است، بنابراین F_r در مرتبه 20 μN یا میکرونیوتن می باشد زمانی که δ_clad برابر 10 میکرومتر است.

فهرست مطالب:

1. مفهوم هم ترازی فیبر در فیوژن
   1. خروج از مرکز هسته
   2. برهمکنش هم ترازی
   3. مدت زمان اتصال فیوژن

مفهوم هم ترازی فیبر در فیوژن

محاسبات بالا نشان می دهد که نیروهای کشش سطحی تجربه شده در اتصال فیوژن به اندازه کافی قوی هستند تا فیبر را مطابق محاسبات کششی با استفاده از معادله کشش منحرف نمایند.

در مقاله نیروهای فشاری، کششی و خمشی اتصال فیوٓژن نشان دادیم که نیروی گرانشی وارد بر یک بخش طولی 10 میلی‌متری از تار فیبر سیلیسی با قطر 125 میکرومتر، حدود 2.7 میکرونیوتن نیروی توزیع شده است و تنها 0.4 میکرومتر انحراف ایجاد می نماید. بنابراین کشش سطحی به طور قابل توجهی نیروی جانبی بیشتری نسبت به گرانش اعمال می نماید. نیروی گران رَوی مقاوم در برابر کشش سطحی، F_η ممکن است تقریبی باشد

جایی که t زمان است معادلات (A.3-A.2) ممکن است جهت به دست آوردن یک معادله دیفرانسیل مرتبه اول خطی برای انحراف، δ_clad یکسان در نظر گرفته شوند، که می تواند حل شود تا یک عبارت تقریبی برای وابستگی زمانی خود تراز شدن روکش کلد Clad به دست آید.

معادله (A.4) نشان می دهد که ثابت زمانی برای خود تراز شدن روکش،

با قطر فیبر مقیاس می شود. از آنجایی که ویسکوزیته تابع حساس دما است و کشش سطحی اینگونه نیست، زمان مورد نیاز برای خود تراز شدن تا حد زیادی توسط دمای اتصال تعیین می شود. یک ویسکوزیته معمولی در دمای اتصال حدود 10⁵ پویز “Poise” می باشد، به طوری که زمان لازم برای یک روکش  125μm میکرومتری برای خود تراز شدن در حد یک ثانیه است.

خروج از مرکز هسته

هنگامی که روکش به خودی خود تراز می شود، یک جریان برشی از شیشه درست در انتها یا نوک تار فیبر وجود خواهد داشت. این جریان برشی باعث جابجایی جانبی در هسته فیبر درست در نوک تار فیبر نوری می شود که به آن هسته های برشی می گویند که می تواند به طور قابل توجهی افت اتصال را افزایش دهد (شکل A.6). به همین دلیل، مطلوب است که δ_clad را به حداقل برسانیم. در صورتی که ساختار ضریب شکست فیبر با روکش متحدالمرکز باشد، مقدار کمی از خود تراز شدن روکش (کمتر از 1μm) سودمند است چراکه به طور طبیعی هسته‌ها را با یکدیگر هماهنگ می نماید. با این حال، هسته یک فیبر نوری ممکن است به دلیل مشکلات ساخت با روکش متحدالمرکز نباشد. این پدیده همچنین خروج از مرکز هسته “core eccentricity” نامیده می شود و می تواند منجر به افت اتصال بیشتر شود که می تواند با استفاده از انتگرال همپوشانی یا تقریب گاوسی مورد بحث قرار گیرد و تخمین زده شود. یک مشخصه خروج از مرکز فیبر معمولی 0.25 میکرومتر است با این حال گاهی اوقات خروج از مرکز فیبر می تواند از 1 میکرومتر تجاوز نماید.

شکل A.5 دو نوک تار های فیبر را با خروج از مرکز فوق العاده نشان می دهد. خروج از مرکز می تواند یک مشکل دشوار باشد، با این حال استراتژی های موثری جهت ممانعت اثر آن وجود دارد. شکل A.6b-d نشان می دهد که چگونه خروج از مرکز هسته و خود تراز شدن روکش با هم تعامل دارند.

ساده ترین راهبرد این است که دو هسته را با یکدیگر تراز نماییم به طوری که روکش ها در ابتدای اتصال ناهم تراز شوند (شکل A.6c). چنانچه دمای اتصال بسیار پایین باشد و مدت زمان اتصال کوتاه باشد، می‌توان از خود تراز شدن روکش‌ها جلوگیری کرد و هسته‌ها با یکدیگر تراز خواهند شد. با این حال، دماهای پایین و مدت زمان اتصال کوتاه اغلب می تواند به کاهش استحکام و قابلیت اطمینان منجر شود.

در دماهای اتصال بالاتر و زمان‌های اتصال طولانی‌تر، اثر خود تراز شدن روکش باعث ایجاد پیچ خوردگی در ناحیه فیبر باریک با عرض L می‌شود که تا بالاترین دما حرارت دیده است. متأسفانه سیگنال نوری که از فیبر عبور می نماید به طور معمول نمی تواند چنین خمیدگی ناگهانی را در چنین فاصله کوتاهی تاب آورد، بنابراینافت اتصال معمولاً در این شرایط افزایش می یابد.

A.5 تصویری از خروج از مرکز شدید هسته، قطر فیبر 140 میکرومتر و خروج از مرکز هسته حدود 9 میکرومتر است. (a) نمای جانبی فیبر درست پیش از اتصال. توجه داشته باشید که چگونه کلد های فیبر نوری در یک راستا قرار گرفته‌اند، اما هسته‌ها با انحراف میکرومتر زیادی دیده می‌شوند. (b) سطح انتهای فیبر نشان داده می شود

برهمکنش بین هم ترازی روکش کلد

یک رویکرد بهتر جبران بیش از حد انحراف جانبی اضافی است به طوری که کشش سطحی انحراف را به سطح مطلوب کاهش می دهد (شکل A.6d). در این حالت، می‌توان هسته‌های فیبر نوری را طوری ساخت که در فواصل طولانی با یکدیگر هماهنگ شوند، با این حال هنوز مقدار مشخصی از تغییر شکل هسته در خود اتصال فیوژن وجود خواهد داشت.

بهترین استراتژی جهت مقابله با خروج از مرکز هسته، چرخاندن نوک تار های فیبر حول محورهای خودشان است به طوری که زاویه خروج از مرکز در هر فیبر یکسان باشد (شکل  A.7). هنگامی که این تراز چرخشی کامل شد، اتصال می تواند با تراز کردن روکش کلد استاندارد ادامه یابد. با این حال، در بسیاری از موارد، تارها دارای مقادیر متفاوتی از خروج از مرکز هستند که کارایی این تکنیک را محدود می نماید. در صورتی که یک فیبر کاملاً متحدالمرکز باشد، این استراتژی مبتنی بر چرخش به طور کلی بی فایده می باشد. بنابراین، فیوژن با هم ترازی هسته چرخشی تنها زمانی مفید است که هسته ها دارای خروج از مرکز مشابه باشند. برند های مطرح اتصال دهنده های همجوشی (دستگاه های فیوژن اسپلایسر) طراحی شده جهت نگهدارنده قطبش فیبر دارای قابلیت دستکاری تراز چرخشی فیبر می باشند.

شکل A.6 برهمکنش بین هم ترازی روکش کلد، خروج از مرکز هسته، هم ترازی هسته و کشش سطحی. سمت چپ فیبر نوری را به دنبال تراز نشان می دهد، البته پیش از اتصال، سمت راست نتیجه اتصال مربوطه را نشان می دهد. شکل هسته (خط) و مرکز روکش (خط چین) را نشان می دهد. (a) هسته‌های فیبر متحدالمرکز با روکش‌های ناهمتراز. به تغییر شکل مشخصه هسته های برش خورده توجه نمایید. تغییر شکل حاصل به طور کلی منجر به افت اتصال فیوژن بالا می شود. (b) فیبر نوری با هسته های غیر هم مرکز که با روکش‌های کلد یکدیگر هماهنگ شده‌اند. که ناهماهنگی جانبی هسته ها منجر به افت زیاد اتصال فیوژن می شود. (c) تار نوری با هسته غیر هم مرکز که با هسته یکدیگر تراز شده اند. به طور معمول، این واقعیت که هسته‌ها به‌طور جانبی دور از اتصال کامل قرار گرفته‌اند، منجر به افت زیاد می‌شود، حتی اگر هسته‌ها به صورت محلی در اتصال نهایی هم‌تراز باشند. (d) فیبر غیر هم مرکز مقدار اضافی انحراف را جبران می تماید تا اطمینان حاصل شود که هسته‌ها با وجود تغییر شکل موضعی در محل اتصال فیوژن، دور از اتصال کامل قرار دارند. این مورد اغلب منجر به تلفات کمتر از مورد (c) می گردد.

مدت زمان اتصال فیوژن

جالب است بدانید که زمان مورد نیاز جهت ایجاد اتصالات فیوژن تقریباً به صورت خطی و وابسته به قطر فیبر می شود. زمان اتصال فیوژن برای فیبر سیلیسی با قطر 125 میکرومتر به طور معمول در حدود 5 ثانیه است در حالی که فیبر سیلیسی با قطر 250 میکرومتر به طور معمول حدود 10 ثانیه جهت فیوژن نیاز دارد. این مشاهدات با معادله (A.4) سازگار است که در آن ثابت زمانی برای خود تراز شدن روکش cladding به صورت خطی با قطر فیبر نشان داده شده است. اتصال فیوژن فیبرهای سیلیس معمولاً زمانی انجام می شود که شیشه تا حدود 2100 درجه سانتی گراد گرم شود، بدون توجه به قطر فیبر نوری، بنابراین ویسکوزیته شیشه حرارت دیده بدون توجه به قطر فیبر نوری تقریباً یکسان است. کشش سطحی نیروی محرکه اصلی برای تشکیل اتصال را فراهم می نماید، درست همانطور که برای خود تراز شدن روکش ها انجام می دهد.

شکل A.7 تراز چرخشی دو فیبر خارج از مرکز قابل مقایسه. سطح انتهایی فیبر، موقعیت هسته (دایره کوچک) و مرکز روکش کلد (علامت بعلاوه) مشاهده می شوند. الف) فیبر ها در ابتدا دارای یک زاویه تصادفی بین هسته و مرکز روکش های کلد خود هستند. (ب) زاویه هسته‌های فیبر در راستای یکدیگر

راهنما دستگاه فیوژن فیبر نوری

فیوژن فیبر نوری