نیروهای مکانیکی اتصال فیوژن

نیروهای مکانیکی اتصال فیوژن، نوک تارهای فیبر نوری نیروهای مکانیکی مختلفی را در حین اتصال فیوژن تجربه می نمایند. نگهدارنده های فیبر دستگاه های فیوژن (chucks)، کشش سطحی و چسبندگی همگی فرآیند اتصال فیوژن را شکل می دهند. انواع پدیده های مهم مانند خمش، کمانش، مخروطی شدن، حباب ها، و باریک شدن فیبر به نیروهای مکانیکی ایجاد شده در حین اتصال فیوژن وابسته می باشند. در این بخش به بررسی این پدیده ها و نیروهایی که مسئول آنها هستند می پردازیم.

نیروهای مکانیکی اتصال فیوژن

A.1

فهرست مطالب:

1. نیروهای مکانیکی فیوژن
   1. نیروهای فشاری، کششی و خمشی
   2. پیچش فیبر
   3. فیوژن فیبر های غیر مشابه

نیروهای فشاری، کششی و خمشی

شکل A.1 نشان می دهد که نوک های فیبر به صورت پایدار و محکم در نگهدارنده های فیبر دستگاه فیوژن قرار داده شده اند. بسته به طراحی دستگاه فیوژن، نوک فیبر به فاصله 5 تا 20 میکرومتر از منطقه گیره شده بیرون زده است. برای یک فیبر معمولی با قطر 125 میکرو متر، این نسبت طول به قطر حدود 100 است. جهت درک بهتر نیروهای مکانیکی در حین اتصال فیوژن، تار های فیبر نوری را به عنوان یک تیر پایه الاستیک elastic beams” (تیر پایه یک عنصر ساختاری است که به صورت افقی امتداد می یابد و تنها در یک انتهای آن پشتیبانی و نگه دارنده دارد.) در نظر داشته باشید. قبل از اتصال، نوک‌های تار فیبر نوری مانند تیرهای پایه الاستیک عمل می‌کنند که در یک انتها محکم بسته شده و در انتهای دیگر آزاد هستند. در طول ایجاد همجوشی(فیوژن)، بخشی از شیشه که محل اتصال دو تار می باشد، نرم و با قوام ژله مانند است. در این مرحله از فرآیند است که نیروهای کشش سطحی قابل توجه می گردند. با سرد شدن اتصال فیوژن و جامد شدن شیشه، نیروهای چسبندگی بار دیگر بر نیروهای کشش سطحی غالب می شوند و فیبر یک بار دیگر مانند یک تیر پایه الاستیک رفتار می نماید.

پیش از فیوژن فیبر نوری، نوک تار ها بایستی در یک راستا قرار گیرند. از آنجایی که نوک تارها بسیار نازک هستند، انحراف می تواند توسط یک نیروی نسبتا کوچک ایجاد شود. انحراف را می توان با تجزیه و تحلیل خمش تار استاندارد اندازه گیری نمود. چنانچه فرض شود که نوک تار توسط یک تیر الاستیک است پشتبانی شده است که در اینجا نگهدارنده تار دستگاه می باشد، مقدار انحراف، خمش δ (دلتا)، به نیروی عرضی متمرکز در نوک تار، F_bending، مرتبط باشد.

A.3 خمش δ

که در آن E_y ضریب یانگ، I_bend  خمشی اینرسی لحظه سکون، و L طول انتهای فیبر آزاد است (شکل A.2). ضریب یانگ برای شیشه سیلیس ذوب شده با خلوص بالا در دمای اتاق حدود 72.9GPa گیگاپاسکال است. چرخش خمشی اینرسی  میزان استحام یک عضو الاستیک را مشخص می نماید و برای جسمی با سطح مقطع دایره ای مانند فیبر نوری برابر است با

A.4 خمش  I

که در آن Dy_fiber قطر فیبر است. یک فیبر با قطر 125 میکرومتر دارای Ibend = 1.2 × 10⁻¹⁷m⁴.

گاهی اوقات یک نیرو به طور یکنواخت در طول فیبر توزیع می شود. چنانچه این نیرو در واحد طول با F’_dist نشان داده شود، مقدار انحراف، δ_dist ممکن است به صورت زیر بیان شود.

A.5 مقدار انحراف

معادلات (A.4،A.3) نشان می‌دهد که نوک‌ تارهای نوری کوتاه در برابر نیروهای خمشی عرضی نسبت به نوک‌ تارهای بلندتر بسیار مقاوم‌تر هستند، چراکه انحراف با طول مکعب نوک ضربدر کل نیروی اعمال‌شده تغییر می نماید . طبق (A.3)، تنها 26μN تمرکز در نوک تار فیبر برای انحراف یک فیبر سیلیسی با قطر 125μm و طول 10 میلی متر برای فیبر سیلیکا 10 میکرومتر مورد نیاز است. تنها حدود 5 میکرونیوتن نیروی عرضی جهت انحراف فیبر سیلیسی با قطر 125 میکرومتر به اندازه 2 میکرومتر مورد نیاز است، فاصله ای که جهت افزایش قابل ملاحظه افت فیوژن در تارهای فیبر نوری سینگل مُد یا تک حالته کافی است. در نتیجه، نیروی نسبتا کمی می تواند باعث یک جابجایی عرضی نسبتاً کسترده در نوک تار فیبر شود. شاید تصور اولیه شما بر این باشد که الویت انجام خدمات فیوژن موضوع هزینه این خدمات باشد. این تصور اشتباه است، انجام خدمات فیوژن نیازمند دستگاه های پیشرفته ای مانند Fitel و Corning و نیروهای متخصص و آموزش دیده ای می باشد که هم از نظر سرمایه دستگاه و هم از نقطه نظر به روز بودن آموزش ها بایستی به صورت دوره ای متخصصان به روز ترین تکنیک ها را فراگیرند، بنابراین این خدمات شاید با نیروی غیر متخصص و دستگاه های نامعتبر ارازنتر تمام شود،‌ ولی نتیجه کار طبیعتا ارتباطی ضعیف، بی کیفیت با طول عمر نسبتا کم و افت به شدت بالا خواهد بود.

الکتریسیته ساکن نمونه‌ای از نیروهای نسبتا ضعیفی است که می‌تواند باعث انحراف قابل توجه نوک تار فیبر شود. برداشتن مکانیکی پوشش پلیمری تار فیبر گاهی اوقات می تواند نوک فیبر در معرض دید را با یک بار استاتیک نامطلوب که باعث انحراف نوک می شود، همراه نماید. گرانش نمونه ای از نیروی توزیع شده است که بر نوک تار فیبر اثر گذار می باشد. با این حال، گرانش تقریباً همیشه در فیوژن فیبر نوری ناچیز است. نیروی گرانشی در واحد طول یک فیبر سیلیسی با قطر 125 میکرومتر در حدود 2.7 × 10⁻⁴ N/m است، بنابراین یک بخش 10 میلی متری پایه قرار داده شده از چنین فیبر نوری نیروی کلی حدود 2.7 میکرون را تجربه می نماید و تنها حدود 0.4 میکرومتر منحرف می شود. تحت نیروی گرانش اگرچه الکتریسیته ساکن می‌تواند روی هم‌ترازی فیبر تأثیر گذار باشد، نیروهای کشش سطحی همیشه هم گرانش و هم الکتریسیته ساکن را در موقعیت‌های عملی اتصال فیوژن تحت تأثیر قرار می‌دهند.

A.2 خمش یک نوک تار فیبر مدل سازی شده به عنوان یک پایه الاستیک که به یک نگهدارنده در دستگاه محکم شده است.

( a ) نیروی متمرکز در نوک. (b) نیرو به طور یکنواخت در طول فیبر توزیع شده است

پیچش فیبر

نیروی جانبی دیگری که فیوژن در حین اتصال با آن مواجه می شود ناشی از پیچش فیبر ” fiber curl” است. پیچش فیبر به تمایل یک فیبر جهت به خود گرفتن طبیعی شکل خمیده در غیاب نیروی اعمالی اشاره دارد.‌(اصطلاح خواب فیبر) پیچش معمولاً به این دلیل اتفاق می‌افتد که پوشش پلیمری شکلی احاطه ای دارد و زمانی که به دور قرقره فیبر پیچیده می‌شود، شکلی را که به خود می‌گیرد «به یاد می‌آورد».

مشخصات تجاری یک تار فیبر نوری معمولی و استاندارد این است که شعاع پیچش فیبر بیشتر از 4 متر باشد. هنگامی که شعاع پیچش کمتر از 2 متر است، تراز کردن فیبر نوری جهت اتصال به سختی ممکن است.(از مهم ترین دلایل خرید کابل های با برند معتبر همین موضوع است) یکی از راه حل های رایج این است که به اندازه کافی از پوشش پلیمری که نگه دارنده های اسپلایسر روی خود شیشه می گیرند، حذف شود، که معمولاً پیچ خوردگی کمی نشان می دهد یا اصلاً خمیده نمی شود. با این حال، لمس سطح شیشه ای تار فیبر با نگهدارنده های تار می تواند باعث ایجاد نقص در سطح فیبر شود که به طور قابل توجهی استحکام اتصال فیوژن را کاهش می دهد و احتمال خطا و آسیب را بالا می برد. راه حل دیگر استفاده از دستگاهی است که تار فیبر پوشش داده شده را گرم می نماید و خواب پلیمری تار و در نتیجه پیچش را از بین  می برد.

در موارد نادر، پیچش بیش از حد تار فیبر نوری ناشی از خود تار شیشه است نه از پوشش پلیمری. این مشکل به راحتی حل نمی‌شود و می‌تواند به ویژه در مورد فیبر های ریبون، تراز فیبر Ribbon را به شدت کاهش دهد و منجر به افزایش افت در اتصال فیوژن شود.

A.4 تصویر پیچش فیبر ناشی از حافظه شکل در پوشش پلیمری

در پی اعمال نیروی فشار با حرارت، نوک تارهای فیبر نوری نرم شده و به هم فشرده می شوند. تمایل نوک های تارهای فیبر به کمانش، حد بالایی را برای نیروی فشاری که می تواند هنگام فشار دادن نوک ها به هم اعمال شود، قرار می دهد (شکل A.6). چنانچه تار فیبر در حین فشار حرارتی کمانش نماید (انحنا)، احتمالاً ناهماهنگی شدید هسته ایجاد می شود و بنابراین باید به هر قیمتی از کمانش نوک تار فیبر نوری جلوگیری شود. جهت جلوگیری از کمانش، نیروی فشاری اعمال شده باید کمتر از نیروی کمانش بحرانی، F_crit باشد. این را می توان با در نظر گرفتن دو نوک تار فیبر به عنوان یک تیر پایه الاستیک که به شدت پایدار در هر دو انتها نگه داشته شده است، تخمین زد. تئوری کمانش نشان می‌دهد که نیروی کمانش بحرانی توسط معادله زیر بدست می آید.

A.7 نیروی کمانش بحرانی

نیروی کمانش بحرانی بالاتر مطلوب است چراکه خطر کمانش در حین اتصال را کاهش می دهد. از آنجایی که نیروی بحرانی کمانش با مجذور طول نوک فیبر به شکل معکوس تغییر می نماید، طول نوک کوتاهتر نیروهای فشاری بسیار بیشتری را در طول فیوژن ایجاد می نماید، یکی از مواردی که اپراتور بایستی به آن توجه نماید که می تواند یک مزیت خاص در هنگام فیوژن فیبر در دمای پایین به شمار آید که در آن نیروهای فشاری گسترده تری جهت ایجاد اتصال فیوژن مورد نیاز است (در مورد تاثیر دمایی در مقالات آینده توضیح خواهیم داد). برای یک سطح مقطع به طول 10 میلی متر از فیبر سیلیسی با قطر 125 میکرومتر، F_crit حدود 0.021 نیوتن است. تنش فشاری محوری مربوطه، نیروی کمانش بحرانی تقسیم بر سطح مقطع فیبر نوری، 1.7 مگاپاسکال برای فیبر با قطر 125 میکرومتر است. هنگامی که نوک تار های فیبر نرم می شوند یا زمانی که کلیو ها به طور کامل مسطح نیستند، نیروی واقعی کمانش می تواند به طور قابل توجهی کمتر از آن چیزی باشد که توسط (A.7) پیش بینی شده است. ماهیت دقیق نگهدارنده های فیبر نوری نیز بر نیروهای بحرانی کمانش تأثیر گذار می باشند چراکه چنانچه تار های فیبر نوری به طور مستحکم نگه داشته نشوند، نیروی بحرانی کمانش کمتر از (A.7) خواهد بود. متأسفانه، بیشتر دستگاه های فیوژن تجاری با اینکه فاصله را کنترل می نمایند، اما نیروی فشار حرارتی را نظارت نمی نمایند. بنابراین، بهینه‌سازی اسپلایس اغلب نیازمند تکرار در چندین مجموعه از پارامترهای اتصال فیوژن جهت یافتن مجموعه‌ای است که احتمال کمانش را به حداقل می‌رساند.

A.6 کمانش در حین فشار حرارتی اتصال فیوژن. (a) فیبر نوری که قبل از فشار گرم با یکدیگر هماهنگ شده اند (b) کمانش زمانی اتفاق می‌افتد که فیبر نروی با نیرویی بیشتر از یا مساوی فشار بحرانی کمانش به هم فشار داده شوند.

فیوژن فیبر ها غیر یکسان

یکی از مهمترین مشکلات فیوژن فیبر نوری امکان جوش تارهای غیر همسان است. برخی از دستگاه های فیوژن این اختلاف را شناسایی می نمایند، گرچه این شناسایی ممکن است غیر دقیق نیز باشد. زمان فیوژن تار های با پروفیل‌های ضریب شکست بسیار متفاوت و یا قطرهای روکش بسیار متفاوت، گاهی اوقات افت اتصال کاهش می یابد چنانچه «بزرگ سازی» اتصال فیوژن رخ دهد. چنانچه یک فیبر دارای قطر میدان حالت بسیار کوچکتر (MFD) نسبت به فیبر دیگر باشد، ممکن است افت اتصال فیوژن بین فیبرها زیاد باشد. چنانچه یک فشار حرارتی زیاد غیرمعمول (100μm یا بیشتر) به اسپلایس اعمال شود در حالی که فیوژن همچنان نرم است، قطر فیبر در مجاورت اسپلایس را می توان به طور قابل ملاحظه ای افزایش داد (شکل A.8). چنانچه افزایش قطر به سمت فیبر با قطر میدان حالت کوچکتر (MFD کوچکتر) شود، افت فیوژن می تواند به 0.1 دسی بل کاهش یابد. سرعت فشار حرارتی و دمای فیوژن بایستی به دقت کنترل شود تا کمانش مهار شود.

هنگامی که فرآیند فیوژن به پایان رسید و یک فیوژن ایجاد شد، ممکن است کشش بر روی فیبر نوری اعمال شود تا به صورت فیزیکی آنها را به قطر کمتری کاهش دهد. برخلاف نیروی فشاری، نیروهای کششی زیادی را می توان بدون کمانش به فیبر اعمال نمود. بنابراین ایجاد تغییر شکل کششی آسان تر از تغییر شکل فشاری در یک تار فیبر نوری می باشد. به همین دلیل، باریک شدن یا کشیدن یک فیبر نوری به دمای پایین تری نسبت به اتصال فیوژن نیاز دارد، چراکه اتصال فیوژن به مقدار معینی فشار جهت تغییر شکل فیبر نیاز دارد. تجهیزات اتصال فیوژن معمولی می توانند به آسانی نیروهای کششی مشابه کشش تار را در حد 1N اعمال نمایند. برای یک تار فیبر با قطر 125 میکرومتر، 1N مربوط به تنش کششی 81.4 مگاپاسکال است که تقریباً دو مرتبه بزرگتر از تنش فشاری کمانشی بحرانی ذکر شده در بالا است.

نشان داده شده است که باریک شدن تراز جانبی اتصالات فیوژن را بهبود می بخشد و در نتیجه افت اتصال را کاهش می دهد. مخروطی کردن نیز می تواند هنگام اتصال فیوژن غیر همسان مفید باشد. چنانچه یک فیبر میدان حالت بسیار کمتری نسبت به فیبر دیگر داشته باشد، ترجیحاً باریک کردن فیبر با قطر میدان حالت یا مُد بزرگتر گاهی اوقات می تواند افت اتصال فیوژن را کاهش دهد. استراتژی دیگر برای کاهش افت اتصال بین فیبرهای غیرمشابه این است که تار فیبر را تا جایی مخروطی کنیم که میدان حالت دیگر توسط هسته محدود نشود، بلکه توسط اینترفیس روکش / هوا محدود شود. با این تکنیک می توان بین فیبر نوری بسیار متفاوت افت اتصال کم را به دست آورد. یک عیب عمده این روش این است که اتصال به خمش و همچنین به خواص نوری محیط اطراف فیبر حساس است. اگرچه سطح مقطع قسمت مخروطی فیبر کمتر از فیبر اصلی است، استحکام نهایی یک اسپلایس مخروطی معمولاً خیلی کمتر از یک اتصال معمولی نیست زیرا استحکام اتصال در درجه اول توسط وضعیت سطح شیشه تعیین می شود. .

A.8 فیوژن نامتقارن بزرگبین SMF معمولی (سمت چپ) و فیبر تک حالته Corning Flexcor 1060 (راست). توجه داشته باشید که اتصال عمداً با توجه به برآمدگی تنظیم می شود تا قطر هسته Flexcor 1060 نسبت به SMF به حداکثر برسد. قطر فیبر اصلی 125 میکرومتر و حداکثر قطر برآمدگی 164 میکرومتر است.

A.9 فیوژن مخروطی متقارن بین دو فیبر سینگل مد. قطر فیبر اصلی 125 میکرومتر و قطر در ناحیه مرکزی مخروط 84 میکرومتر است.

راهنما دستگاه فیوژن فیبر نوری

فیوژن فیبر نوری