Сварка оптического волокна – особенности процедуры

Эффективность передачи сигнала по волоконно-оптическому кабелю определяется рядом факторов. Один из них – точность соединения отрезков ВОЛС, для которых требуется сварка оптоволокна. Подробно разбираем, что это за процедура, какое оборудование необходимо при ее выполнении и какие ошибки недопустимы.

Что такое пайка оптики

Сварка оптического волокна – процесс сопряжения отрезков кабеля контролируемым термическим воздействием. Соединение оказывается неразрывным, однородным, устойчивым к механическим нагрузкам, исключающим проблемы передачи сигнала, затухания и искажения.

Технология применяется в следующих ситуациях:

1. Ремонт, устранение разрывов. Оптика прочна, но критические механические нагрузки, сдавливание, порывы ветра, нарушают целостность. Полная замена линии затратна, а восстановление – надежная, недорогая альтернатива.
2. Удлинение. Актуально при прокладке магистральных сетей протяженностью в десятки, сотни километров. Одной бухты оптоволоконного кабеля не хватит для полного покрытия расстояния. Требуется сварное соединение.
3. Формирование ответвлений. Например, для подключения измерительного, абонентского, лабораторного оборудования.

Технологии сварки оптоволоконного кабеля

Дуговая технология

Классика – дуговая методика. За нагрев отвечают вольфрамовые электроды, между которыми формируется электрическая дуга температурой около 2 тысяч градусов. Такие сварочники не слишком дороги, подходят для полевых условий, автоматизированы. Характеристики достаточны для большинства линий ВОЛС, за исключением ответственных, лабораторных, измерительных, требующих абсолютной минимизации потерь в передаче сигнала.

Лазерная

Источник нагрева – лазер, подающий сфокусированный луч на торец волокна. Недостаток только один – высокая цена сварочных аппаратов, которые в 2, 3, а то и 4 раза дороже дуговых. В остальном, это совершенный метод. Возможно соединение волокон различных классов при потерях не выше 0.01 дБ. Оптимум для ответственных линий.

Газоплазменная

Торцы спаиваются дугой, возникающей в среде аргона или подобного газа. Метод универсален, подходит для волокон толщиной от десятков до сотен микрометров.

Механическое соединение

Альтернатива, требующая отдельного рассмотрения. Сплайсы позволяют обойтись без дорогих сварочников. С задачей справится даже специалист без большого опыта. Соединительный элемент – кассета или гильза, заполненная гелем, защищающим волокна от пыли и влаги. Установка занимает несколько секунд.

Простота и доступность, однако, остаются единственными плюсами метода. В остальном, он проигрывает сварке, подходит как временный вариант, либо постоянный – но для линий, к которым не предъявляются особые требования, не подверженных нагрузкам. Крепление ослабевает из-за вибраций и растяжений, потери превышают 0.1 дБ, срок службы – около 10 лет, тогда как у сварки – 20, 30 и более.

Для лучшего понимания особенностей следует сравнить соединительные методы в табличном формате.

Оборудование для оптоволоконной сварки

Сварочные аппараты

Главное устройство – сварочник оптоволокна. Технологичные модели от Fujikura, FiberFox, KIWI, INNO Instrument не только нагревают волокна для пайки, но и выполняют другие задачи для формирования неразрывного соединения. В конструкцию сварочного аппарата входит:

• Блок питания. Укомплектован преобразователем напряжения для работы от сети, аккумулятора, регулировки температуры.
• Нагревательный элемент (нагреватель). Лазер или блок, в котором формируется электрический разряд.
• Узел центровки. Основа – сервопривод, перемещающий волокна в нескольких плоскостях, идеально позиционирующий их, исключающий даже микронные смещения.
• Центральный процессор (ЦПУ). Обрабатывает команды, контролирует процесс, при необходимости – вносит корректировки для улучшения результата.
• Дополнительный модуль нагрева для установки гильз КДЗС, защищающих соединение от нагрузок, повышающих его прочность.
• ЖК-дисплей. Зачастую – сенсорный. Используется для контроля рабочей зоны и параметров, изменения настроек, выбора режима.

Конкретная комплектация определяется моделью. Например, существуют сварочники без ЦПУ, предполагающие только ручное управление. Они дешевле автоматических, но могут использоваться только профессионалами, знающими все тонкости, не допускающими ошибок.

Различны и механизмы центровки. На аппаратах Fujikura установлены миниатюрные видеокамеры. Процессор анализирует изображение для идеальной точности сведения. Альтернатива – тепловая люминесценция, где центровка строится на предварительном нагреве волокон и анализе излучения.

Сварка оптики невозможна и без другого оборудования:

1. Стриппер. Функция – снятие изоляционного защитного покрытия, полимерного и лакового.
2. Прецизионный скалыватель. Формирует перпендикулярный ровный срез на торце, что необходимо для плотности сопряжения.
3. Безворсовые салфетки, сухие и с изопропиловой пропиткой. Нужны для обезжиривания, удаления мелких пылинок.
4. КДЗС. Защитная гильза. Соединение уязвимо для механических нагрузок, даже при небольшом воздействии может треснуть, потерять целостность. Гильза сформирована наружной полимерной оболочкой, клеевым наполнителем и металлическим прутком. При нагреве деталь плотно обхватывает контактную область, делает ее герметичной, прочной.
5. Пинцет. Трогать волокно руками не стоит. Даже на чистых пальцах окажутся мельчайшие следы жира, губительные для результата. Все манипуляции лучше проводить пинцетом.

Пошаговая инструкция по сварке ВОЛС

В первую очередь, нужно подготовить рабочее место. Для контроля торцов требуется хорошее освещение, позволяющее разглядеть все дефекты, мелкие пылинки. В полевых условиях – ставится палатка. Работа под открытым небом недопустима из-за высокого риска воздействия пыли и влаги. Минимально допустимая температура работы – 10 градусов мороза, иначе волокна станут хрупкими, а батарея паяльника будет разряжаться слишком быстро.

Работать лучше в спецодежде, защитных перчатках. Гидрофобный гель, с которым придется иметь дело, трудно отстирать с ткани, а мелкие осколки стекла способны порезать руки. Ниже пошаговый основной алгоритм пайки оптоволоконного кабеля по этапам.

Подготовка оптоволокна

1. Разделка. Необходимо снять внешнюю изоляцию, удалить промежуточные влагозащитные, армирующие слои.
2. Размещение модулей в сплайс-кассете или кроссе.
3. Смывка гидрофобного геля. Используются безворсовые салфетки с пропиткой, либо растворитель.
4. Монтаж гильз КДЗС.
5. Удаление защитного акрилового слоя. Достаточно очистить участок в 3-4 сантиметра.
6. Протирка зачищенного участка безворсовой салфеткой с изопропиловой пропиткой для удаления остатков лака и механических загрязнений.
7. Скалывание. В наборе некоторых сварочников укомплектованы автоматическим скалывателем, но надежнее – воспользоваться ручным. Инструмент формирует ровный срез, плотно прилегающий к ответному торцу, исключающий снижение прочности, обеспечивающий идеальное прохождение светового потока.

Настройка сварочного аппарата

1. Размещение подготовленных волокон в узле центровки прибора.
2. Закрытие крышки, защищающей от ветра и пыли.
3. Запуск юстировки. В современных сварочных станциях процесс автоматизирован, но иногда требуются дополнительные действия, указание типа оптоволокна.

Непосредственно сварка

1. Старт сварки. Подаются несколько первичных разрядов, нужных для прогрева волокон и сжигания пыли, затем – основные, отвечающие за плавление и прочное соединение.
2. Автоматическая проверка. Аппарат создает усилие на разрыв. При успешном прохождении теста – подает звуковой и световой сигнал.
3. Поднятие крышки.

Проверка и защита стыка

1. Извлечение оптоволокна, установка гильзы КДЗС так, чтобы точка сварки оказалась строго по ее центру.
2. Укладка в нагревательную камеру. Термическое воздействие плавит гильзу, она плотно облегает контактную область, укрепляет и изолирует ее.
3. Завершение работы. Извлекать сваренный отрезок можно только после полного охлаждения и застывания гильзы. До этого момента ее прочность недостаточна.

В современных аппаратах процесс автоматизирован, но допустимо и ручное тестирование. Контактную область нужно осмотреть на предмет дефектов, трещин, зазоров, неровностей (они недопустимы). Оценить степень обратных отражений, помех поможет рефлектометр.

Муфты и кроссы

При установке оптических кроссов кабель соединяется с пигтейлами, каждое волокно – направляется на определенный порт, обеспечивая четкость коммутации с оборудованием.

Муфты – массивные соединительные элементы для двух и более проводов. Схема зависит от ситуации. В простом случае муфты обеспечивают связь между парой отрезков магистральной линии, в сложном – формируют множество ответвлений.

Ошибки и последствия

Пайка оптики – процесс, требующий знаний, навыков и оборудования. Недопустимы даже минимальные неточности. Наиболее распространенные ошибки выглядят так:

• Использование неисправного, ненастроенного, неоткалиброванного оборудования. В первую очередь – сварочного аппарата. Техника не обеспечивает нужного нагрева, он оказывается недостаточным или избыточным, соединение – ненадежным, нарушающим проходимость сигнала.
• Невнимательная подготовка волокон. На них не должно быть даже микроскопических сколов и загрязнений.
• Неточность позиционирования. Отклонения в сотые доли миллиметра приводят к обратным отражениям, потерям мощности, ухудшают качество связи.
• Неподходящие условия. При повышенной влажности, запыленности среды. Попадание пылинки, мельчайшей капельки воды в контактную зону сведет на нет все усилия.

Причины потерь и допустимые значения

Выраженность потерь определяется точностью позиционирования волокон, тщательностью их подготовки, соблюдением технологии. Даже микронные отклонения и пылинки ухудшают работу коммутационной магистрали.

Нормативные документы говорят, что максимум потерь при длине волны в 1310 нм составляет 0.2 дБ, 1550 – 0.1. Современные сварочники позволяют добиться на порядки меньших значений, главное – использовать их грамотно, не пренебрегать подготовкой, работать в чистоте.

9-ка популярных вопросов

1. Что потребуется для сварки оптического кабеля?

В первую очередь – сварочный аппарат. Также нужны вспомогательные инструменты и расходники, жидкость для удаления гидрофобного геля, защитный комплект КДЗС, стриппер, безворсовые салфетки, сухие и с изопропиловой пропиткой.

2. Допустимо ли соединение без сварки?

Да. При помощи механического сплайса.

3. Возможен ли ремонт ВОЛС?

Да. Сварочная технология – одна из методик восстановления целостности линии. При соблюдении правил характеристики отремонтированной магистрали связи будут такие же, как у новой. Проблем с затуханием, обратными отражениями, помехами, недостатком прочности не возникнет.

4. Допустима ли пайка сразу нескольких волокон?

Нет. Они соединяются поочередно. Даже современные приборы, формирующие несколько стыков, делают их не одновременно, а поэтапно.

5. Почему оптическая сварка такая дорогая?

Цена расходников невелика, чего не сказать о сварочных аппаратах. Автоматические дуговые модели стоят сотни тысяч рублей, а лазерные – миллионы. Задача выполнима только мастерами высокой квалификации, труд которых должен соответствующе оплачиваться.

6. Сколько занимает работа?

Длительность термического воздействия – секунды, но нужно учитывать затраты на подготовку, разделку, установку защитной гильзы, ее охлаждение. В целом, на одно соединение уходит несколько минут.

7. Сварка или сплайс – что лучше?

Субъективный вопрос. Технически – первый вариант. Он прочнее, долговечнее, обеспечивает минимальные потери. Механика выигрывает по простоте и цене, но не обладает высокой прочностью, не позволяет минимизировать потери. Для долговременных ответственных соединений оптимальна сварка, для быстрого ремонта неответственных линий, не находящихся под нагрузкой – подойдет и сплайс.

8. Допустимо ли сварное соединение волокон различных типов?

Да. Возможна стыковка многомодовых и одномодовых отрезков, линий от разных марок. Прочность зависит не от типа, а от материала оболочки, сердцевины, их химических и физических свойств, а они – всегда идентичны.

9. Какая температура сварки оптоволокна?

Средняя температура нагрева – 2-2.2 тысячи градусов Цельсия. Аппараты контролируют процесс для исключения перегрева, оптимального размягчения и плавления. В некоторых случаях – температура увеличивается до 3000 градусов, в других – снижается до 1700.

Итого

Пайка оптоволокна – трудоемкая и затратная задача. При соблюдении инструкций, надлежащей подготовке она позволяет получить соединение, служащее десятилетиями без ухудшения исходных свойств. Прочность достаточна, чтобы выдержать статические и динамические нагрузки, давление, порывы ветра.

Уровень потерь при таком методе минимален, измеряется сотыми долями дБ, соответствует ответственным, измерительным линиям. Механические методы сопряжения проще, но не дают столь высоких параметров.