Обзор скалывателя оптических волокон Vytran LDC401A

10.09.2021

Поделитеcь новостью:

Общее описание системы

Скалыватель волокон Vytran LDC401A производит высококачественные сколы волокон с оболочкой от 80 мкм до 1250 мкм, чтобы обеспечить прецизионное сращивание, то есть сварку (рис. 1).

LDC401А – универсальное устройство, позволяющее производить плоские сколы (то есть плоскость скола, перпендикулярную длине волокна), а также и угловые сколы до 15 °. Скалыватель оснащен алмазным лезвием (ножом) для скалывания, микрометровым ограничителем обратного хода, который обеспечивает скалывание с низким натяжением в специальных волокнах, а также линейкой и блоками для фиксации волокон и выравнивания точки скола. LDC401A также включает в себя поворотный столик, для углового скола волокна.

Рисунок 1 – Общий вид скалывателя

Контроллер, входящий в каждый комплект, позволяет точно настраивать параметры процесса скалывания. Регулируемые параметры включают натяжение волокна, угол поворота, скорость, с которой к волокну прикладываются натяжение и скручивание, скорость приближения механизма к волокну и диаметр волокна. Калькулятор угла скола, включенный в контроллер LDC401A, обеспечивает оценку параметров скола, которые могут быть заданы пользователем. Контроллер поставляется с предварительно загруженными десятью файлами для общих параметров скола.

Комплектация оборудования

В набор скалывателя входит (рис. 2):

Скалыватель;
Контроллер;
Блок питания, 12 В;
Сетевой шнур;
Шнур контроллера, для соединения со скалывателем;
Нейлоновая щетка, для очистки держателей после сколов;
Верхние и нижние держатели (опционально приобретаются под нужды заказчика).

Рисунок 2 – Комплектация оборудования

Скалывание волокна происходит алмазным ножом, который подлежит замене с течением времени. Одно лезвие может обеспечить до 5000 сколов при правильно подобранных параметрах скалывания определенного вида волокна.

Теоретические основы работы скалывателя

Для получения плоского скола используют метод «натяжения и скалывания», при котором сначала к волокну прикладывается осевое натяжение, а затем выполняется автоматизированный процесс скалывания с использованием алмазного скалывающего лезвия (ножа) (рис. 3). Программное обеспечение позволяет в автоматическом режиме настраивать моторы подвижек и производить натяжение волокна с последующим сколом.

Рисунок 3 – Схематичное скалывание прямого торца волокна

LDC401A также способен производить сколы под углом (рис. 4). Для этого дополнительно производится скрутка волокна, затем происходит натяжение и скол.

Рисунок 4 – Схематичное скалывание торца волокна под углом

Диапазон возможной скрутки волокна составляет от 0-180 °. В поле «Desired Cleave Angle» необходимо выставить желаемый угол скола волокна, тогда программное обеспечение автоматически рассчитает на сколько градусов нужно повернуть правый, зажимающий волокно блок для скручивания.

Описание работы скалывателя

LDC401A скалывает волокно, используя технику натяжения и скалывания следующим образом (рис. 5):

Очищенное волокно закрепляется в блоках удержания волокна (Fiber Holding Blocks, FHB).
Левый FHB перемещается влево, натягивая волокно.
Лезвие с алмазным покрытием приближается к волокну и делает небольшой надрез.
Натяжение заставляет увеличиваться бороздку от надреза под действием дополнительных ударов ножом, что приводит к сколу.

Чтобы получить скол под углом, волокно скручивают с помощью поворотного столика, затем его натягивает установка и производит скол.

Рисунок 5 – Конструкция скалывателя

В скалывателе используются два блока для удержания волокна (FHB) для надежного зажима и позиционирования волокна перед процессом скалывания. Левый FHB имеет линейный приводной механизм для приложения натяжения к волокну. Правый FHB снабжен поворотным приводным механизмом – роторная ступень, предназначенная для скручивания волокна.

Механически процесс скалывания происходит следующим образом:

Для плоских сколов левый FHB будет медленно тянуть влево до тех пор, пока не будет достигнуто заданное натяжение скола. Для угловых сколов, правый FHB будет вращаться до указанного угла поворота скола, а затем левый FHB будет медленно тянуть влево до тех пор, пока не будет достигнуто указанное натяжение.

Пока волокно находится под натяжением (и вращается при скалывании под углом), алмазный нож продвигается к волокну. После того, как лезвие пройдет расстояние «Blade Offset + Pre-Cleave Advance» (смещение ножа + продвижение до скола), оно начинает колебаться по направлению к волокну небольшими шагами вперед и назад. Как только алмазный нож соприкасается с волокном (рис. 6), он создает небольшую бороздку, которая быстро распространяется по волокну из-за предварительно приложенного натяжения.

Когда волокно сколото, скалыватель обнаруживает падение натяжения и немедленно отводит нож, левый FHB тянет еще дальше влево, чтобы отвести сколотое волокно, и вращающийся столик возвращается в горизонтальное положение.

Рисунок 6 – Начало скалывания волокна

Волокно следует зажимать в FHB, двигаясь от одной стороны держателей к другой, то есть, если сначала зажимается «неотбрасываемая» (левая) сторона, а затем «выбрасываемая» (правая) сторона, то все операции должны выполняться с левой стороны перед закреплением правой стороны, чтобы свести к минимуму возможность скручивания волокна во время зажима.

Натяжение для скола должно быть установлено соответствующим образом: Если натяжение будет слишком низким, волокно может не сколоться, а алмазный нож может быть поврежден из-за чрезмерных боковых напряжений, когда волокно изгибается вокруг лезвия. Если натяжение для скола будет слишком большим, волокно может сломаться в точках зажима задолго до достижения желаемого натяжения или на торце может появиться чрезмерное количество дефектов.

Для проведения стандартных сколов в контроллере заведены программы по умолчанию от производителя. Эти программы настроены для быстрого скалывания волокон диаметром 80, 125, 220, 250, 400, 1000 мкм, а также капиллярные трубки диаметром 800-1110 мкм. Однако для пользователя все параметры в программе доступны для изменения, также возможно сохранение своего режима скалывания.

Программа для скалывания волокна включает в себя заданные параметры диаметра волокна «Fiber Diameter», натяжения «Cleave Tension», смещение волоконных блоков «FHB Offset», желаемый угол скола «Desired Cleave Angle».

Дополнительные функции скалывателя LDC401A

На LDC401A доступны две дополнительные функции скола специальных оптических волокон. К ним относятся микроструктурированные волокна, волокна, сохраняющие состояние поляризации и капиллярные трубки. Для улучшения качества торцевой поверхности специальных волокон предусмотрены дополнительные функции:

1. Постепенное натяжение волокна при скалывании

Процесс постепенного натяжения предусматривает возрастание натяжения по мере скола волокна. В данном случае начальное натяжение устанавливается меньше, чем заданное стандартное, как только нож начинает удары по волокну натяжение постепенно увеличивается. Поскольку трещина от удара ножом распространяется относительно медленно с небольшой движущей силой, то получается более гладкая поверхность скола.

Процесс постепенного натяжения следует использовать в следующих случаях:

При скалывании микроструктурированного волокна, такого как PCF (фотонно-кристаллическое волокно) или PBF (волокно с фотонной запрещенной зоной);
При скалывании капиллярной трубки, толщина стенки которой менее 10 % ее диаметра;
При скалывании волокон, сохраняющие состояние поляризации, с диаметром оболочки более 400 мкм;
При угловом скалывании многомодового волокна или волокна, сохраняющие состояние поляризации;
При скалывании волокна с диаметром оболочки 800 мкм и более, где требуется качественная торцевая поверхность.

Чтобы активировать функцию постепенного натяжения, необходимо выбрать в поле «Edit» параметр «Sub-Critical Cleave Disabled» и выберите «Enabled». Когда включается этот параметр, тогда появляются дополнительные настройки в общем поле «Edit» и функция постепенного увеличения натяжения обозначается как «Sub-Critical Cleave Enabled». Дополнительные настройки необходимы для уточнения параметров скола:

Re-Tension Level 10 (g) – уровень повторного натяжения, по умолчанию от производителя указано 10 г, однако пользователю доступно изменение параметра от 1-100 г. Этот параметр указывает на шаг увеличения натяжения для получения скола.
Post-Scribe Pause 1.00 (seconds) – пауза после начальной попытки скалывания волокна, по умолчанию от производителя указано 1.0 сек, однако пользователю доступно изменение параметра от 0,1-30,0 сек.
Re-Tension Pause 1.00 (seconds) – пауза между натяжением волокна по функции Re-Tension Level, по умолчанию от производителя указано 1.0 сек, однако пользователю доступно изменение параметра от 0,1-30,0 сек. После данной паузы нож начинает работать дальше.

При использовании функции постепенного натяжения волокна необходимо обратить внимание на изменение настроек «Cleave Tension» (натяжение для скола) и «Cleave Oscillation Counter» (счетчик ударов лезвия) в поле «Edit». Так как натяжение будет расти в процессе скола, то на начало работы необходимо выставить небольшое натяжение. Производитель дает следующие рекомендации: натяжение должно быть снижено на 60 % относительно максимального, а счетчик ударов должен быть установлен на 30. Однако, работоспособность данной функции сильно зависит от вида оптического волокна и зачастую подбирать режим необходимо экспериментально.

2. Ограничитель обратного хода микрометрового винта

Ограничитель обратного хода микрометрового винта служит опорой для волокна во время процесса скола. При использовании ограничителя обратного хода можно уменьшить натяжение, прилагаемое к волокну с помощью микрометрического винта. Ограничитель обратного хода предотвращает изгиб волокна при ударе лезвием, создавая более длинную начальную разметку (рис. 5). Более длинная начальная разметка вызывает раскалывание волокна, несмотря на относительно низкое натяжение. Поскольку напряжение ниже, трещина от удара ножом распространяется медленно с небольшой движущей силой, в результате чего поверхность скола становится более гладкой. Ограничитель обратного хода может использоваться в сочетании с функцией постепенного увеличения натяжения для получения сколов с очень хорошим качеством торцевой поверхности.

Ограничитель обратного хода полезен в следующих случаях (рис. 7):

При скалывании толстого волокна (оболочка диаметром более 800 мкм), если скалыватель толкает волокно вперед, не раскалывая его;
При угловом скалывании многомодового волокна диаметром более 250 мкм;
При скалывании капиллярных трубок;
При скалывании волокна, сохраняющего поляризацию;
При скалывании PCF (фотонно-кристаллическое волокно) или PBF (волокно с фотонной запрещенной зоной) волокон.

Рисунок 7 – Ограничитель обратного хода, действующий как ограничитель волокна

При использовании ограничителя обратного хода необходимо снизить натяжение до 85 % от максимального значения и не рекомендуется устанавливать менее 60 %, так как это может привести к повреждению лезвия. Регулировка натяжения происходит при визуальном осмотре с помощью лупы (рис. 8). Необходимо увеличить натяжение, если торцевая поверхность не повреждена, но скол имеет угол. Или необходимо уменьшить натяжение, если есть повреждение торца, но нет угла.

Рисунок 8 – Использование лупы для проверки касания микрометрового винта и волокна

Чтобы использовать ограничитель обратного хода, необходимо загрузить оптическое волокно в устройство обычным способом и сразу начать подводить ограничитель к волокну до их касания. Рекомендуется использовать 10-кратную лупу, так как ограничитель обратного хода микрометра должен едва касаться волокна. В данном случае необходимо обратить внимание на то, чтобы волокно не изгибалось, так как это приведет к дефектам.

После скола, перед извлечением волокна необходимо отодвинуть ограничитель от сколотого волокна, чтобы не повредить полученный скол.

В таблице 1 приведены случаи для использования функций: постепенное увеличение натяжения и ограничитель обратного хода микрометрового винта.

Таблица 1. Случаи использования дополнительных функций скалывателя

Тип волокна	Тип скола	Режим по умолчанию	Постепенное увеличение натяжения	Ограничитель обратного хода микрометрового винта
Диаметр волокна менее 800 мкм	Плоский или угловой	+	-	-
Диаметр волокна более 800 мкм	Плоский или угловой	+	Возможно	Если лезвие продвигает волокно вперед без скалывания
Многомодовое волокно	Плоский	+	-	-
Многомодовое волокно	Угловой	-	+	Если лезвие продвигает волокно вперед без скалывания
Толстостенные капиллярные трубки, толщина стенки не менее 10% от общего диаметра	Плоский или угловой	-	-	+
Тонкостенные капиллярные трубки, толщина стенки менее 10% от общего диаметра	Плоский или угловой	-	+	+
Волокно, сохраняющее поляризацию	Плоский	Если диаметр волокна ≤ 400 мкм	Если диаметр волокна ˃ 400 мкм	+
Волокно, сохраняющее поляризацию	Угловой	-	+	+
Микроструктурированные волокна	Плоский или угловой	-	+	+

Обслуживание и замена алмазного ножа

Важное условие для проведения работ описанных в данном пункте – это отсутствие волокна и прочего мусора в скалывателе и на держателях с обоих сторон. Ограничитель обратного хода микрометра должен быть выкручен максимально на внешнюю сторону, чтобы он не мешал ножу.

Алмазный край ножа для скалывания следует ежедневно проверять на наличие мусора или повреждений, которые могут привести к неправильному скалыванию. Для облегчения проверки и очистки ножа в контроллере есть программа «Blade Service», которая позволяет переместить лезвие ножа в переднее положение.

Рисунок 9 – Очистка лезвия ножа

Лезвие следует очищать ватной палочкой, смоченной ацетоном или изопропиловым спиртом (рис. 9). Протирать лезвие необходимо с обеих сторон в направлении назад вперед, по направлению к алмазной кромке и над ним, не надавливая. Не прикасайтесь к лезвию руками, так как оно достаточно острое и может порезать кожу.

Нож можно немного передвинуть относительно внутреннего положения влево или вправо. Такую манипуляцию рекомендуется совершить, если эта локальная часть положения лезвия будет повреждена. Причиной повреждения может послужить чрезмерное боковое напряжение (напряжение, перпендикулярное краю лезвия): лезвие контактирует с волокном, а затем волокно перемещается вбок через край лезвия. Перемещение возможно с расстоянием 1 мм, следовательно, всего перемещений можно совершить 9 раз.

Алгоритм изменения положения ножа (рис. 10):

Шестигранным ключом 3/32 дюйма необходимо ослабить два зажимных винта, расположенных в передней части корпуса ножа (достаточно повернуть их против часовой стрелки на ¼ - ½ оборота).
Далее нужно повернуть винт регулировки высоты ровно на ¼ оборота по часовой стрелке. Это поднимет корпус лезвия скалывания и переместит лезвие на новое положение.
После этого необходимо затяните зажимные винты в обратное положение, их не следует перетягивать.

Рисунок 10 – Винты для регулировки положения ножа

После регулировки высоты ножа для необходимо совершить пробный скол, чтобы убедиться в правильном расположении лезвия ножа. Нож не должен подниматься высоко над волокном, точка контакта лезвия с волокно должно оставаться прямо у нижнего края алмазного диска.

Если лезвие ножа повреждено по краю, то требуется замена. Нож заменяется целиком и состоит из алмазного наконечника – лезвия, который крепится к основанию из нержавеющей стали с круглым хвостовиком уменьшенного диаметра.

Операции по замене ножа в скалывателе:

1. В первую очередь необходимо извлечь весь остаток от предыдущего скола волокна. В скалывателе не должно оставаться осколков от скола.

2. Далее, нужно снять ограничитель обратного хода микрометра, ослабив четыре винта с головкой под торцевой ключ, удерживающие его на месте, используя шестигранный ключ 0,05 дюйма (рис. 11).

Рисунок 11 – Снятие ограничителя обратного хода микрометра

3. На контроллере нужно выбрать функцию «Blade Service», которая переместит нож вперед.

4. Далее ослабим установочный винт в верхней части ножа на один полный оборот против часовой стрелки, используя прилагаемый шестигранный ключ 0,035 дюйма (рис. 12).

Рисунок 12 – Положение установочного винта

5. С помощью шестигранного ключа на 0,035 дюйма необходимо ослабить винт в задней части основания для ножа и вытолкнуть нож из основания. Удалять лезвие ножа только пинцетом (рис. 13)!

Рисунок 13 – Замена ножа

6. Новый нож нужно устанавливать с защитной трубкой на передней части лезвия в качестве ручки, вставьте хвостовик ножа как можно глубже в корпус.

7. Для закрепления нового ножа нужно затянуть установочный винт до упора и снимите защитную трубку с передней части лезвия, обнажив алмазный наконечник.

8. Основание лезвия должно полностью прилегать к корпусу, а лезвие ориентировано идеально вертикально. Далее затяните установочный винт и подтвердите положение лезвия.

9. Чтобы вернуть положение лезвия в исходное состояние необходимо выбрать «Home» в функции «Blade Service» на контроллере.

10. И наконец, необходимо вернуть блокиратор обратного хода микрометра в исходное положение.

Примеры торцов сколотых волокон

Исследование параметров, полученных сколов проводилось на интерферометре Arden Photonics VFI-1200. Основные параметры скола – это диаметр волокна по кварцевой оболочке, угол скола волокна и параметр краевого скола.

Параметр краевого скола отвечает за процент ровного качественного скола без дефектов относительно всего периметра торца волокна. Следовательно, оценивать этот параметр при сколе некруглой геометрии не целесообразно.

Для всех представленных образцов (рис. 14) проводился перпендикулярный скол под углом 90 °, следовательно, угол скола должен быть близок к нулю.