نکات کلیو Cleaving یا برش فیبر نوری

نکات کلیو Cleaving یا برش فیبر نوری،  فیوژن فیبر نوری تقریبا همواره مستلزم آن است که نوک تار های فیبر نوری دارای سطوح انتهایی بسیار صافی باشند به شکلی که عمود بر محور فیبر باشد. یک وجه انتهایی فیبر به اندازه کافی عمود و مسطح را می توان از طریق فرآیندی به نام شکاف  یا برش به اصطلاح کلیو “Cleave” بدست آورد، که در آن فیبر شیشه ای شکننده به روشی کنترل شده شکسته می شود. همانطور که خواهیم دید، کیفیت برش یک عامل مهم کنترل کننده افت اتصال فیوژن و اسپلایس مکانیکی است. برش های با کیفیت بالا هنگام اتصال فیبرهای ویژه چالش برانگیز مانند فیبر تعدیل شده با اربیوم (EDF مخفف erbium-doped fiber) و یا فیبر جبران کننده پراکندگی (DCF مخفف dispersion-compensating fiber) ضروری است.

پولیش نوک تار های فیبر نوری می‌تواند منجر به کیفیت بالاتر وجه انتهایی فیبر شود، البته پولیش به تجهیزات گران‌تر و زمان پردازش بیشتری نیاز دارد، بنابراین به ندرت جهت اتصال فیوژن استفاده می‌شود. با این حال، پولیش روش مناسبی جهت تولید کانکتورهای فیبر نوری به شمار می آید. طیف گسترده ای از ابزارهای برش در حال حاضر به صورت تجاری در دسترس می باشند. برخی از کلیور ها جهت کاربردهای میدانی در نظر گرفته شده اند در حالی که برخی دیگر برای محیط های آزمایشگاهی و یا کارخانه ای طراحی شده اند. برخی از برش دهنده های فیبر های ریبون می‌توانند به طور همزمان نوار ریبون دارای 24 تار فیبر نوری مجزا را که شامل یک ریبون با تعداد فیبر بالا هستند، برش و جدا نمایند. سیستم‌های آماده‌سازی تار فیبر نوری خودکار، از جمله کلیورهای فیبر خودکار، اکنون به‌صورت تجاری در دسترس می باشند. همچنین کلیورهای خاص برای فیبر های نوری قطور و غیراستاندارد، که می‌تواند تا 1 میلی‌متر و بیشتر از آن باشد، قابل ارائه است.

تکنیک های برش و سخت افزار ها

فرایند تکنیک برش یا کلیو فیبر نوری بدین شکل است که یک فیبر نوری با اعمال تنش کششی به اندازه کافی و مناسب در مجاورت یک ترک سطحی به اندازه کافی بزرگ شکافته می شود، که سپس به سرعت در سطح مقطع فیبر با سرعت صوت منبسط می گردد. شکل A.1 این ایده دارای بسیاری از پیاده سازی های عملی مختلف در انواع تجهیزات برش تجاری است. برخی از کلیورهای فیبر نوری در حالی که سطح تار فیبر را با یک ابزار خط‌کشی بسیار سخت، معمولا لبه‌های الماسی، خراش می‌دهند، به فیبر تنش کششی وارد می‌کنند. طرح های دیگر ابتدا سطح تار فیبر نوری را خراش می دهند و سپس تنش کششی اعمال می نمایند. برخی از کلیورهای فیبر تنش کششی را اعمال می نمایند که در سطح مقطع فیبر یکنواخت است، در حالی که برخی دیگر فیبر را از یک زاویه با شعاع محکم خم می نمایند و تنش‌های کششی بالایی را در قسمت بیرونی خم فراهم می آورند. کشش برش معمولا بر حسب گرم نیرو “grams of force” به جای نیوتن تعیین می شود. یک برش معمولی با کارایی بالا در شکل A.2 نشان داده شده است.

شکل A.1 تصویر شماتیک استراتژی حک و کشش برای برش فیبرهای نوری

ابزارهای کلیور تجاری نیز برش همزمان تمامی تارهای نوری یک فیبر ریبون را به طور گسترده فراهم می نمایند. این کلیور های فیبر نوری ریبون بر اساس همان اصول کلیور های فیبر نوری نک کُر عمل می نمایند. کیفیت برش متوسط یک برش دهنده ریبون تا حدودی پایین تر از یک برش دهنده تک کُر می باشد.

اصول اولیه برش (کلیو Cleave) فیبر نوری 

علیرغم تنوع در طراحی کلیورهای فیبر نوری، برخورداری از اصول اولیه در تمامی کلیور ها اعمال می گردد. وجه شکستگی ناشی از شکاف شامل سه محدوده می باشد که به آنها آینه “mirror”، تار شده “mist” و ناهموار “hackle” می گویند. این مناطق به صورت شماتیک در شکل A.3 نشان داده شده اند و در شکل A.4a در تصویر نشان داده شده اند. ناحیه آینه ای که از نظر نوری صاف است، ابتدا با اعمال فشار در فیبر ایجاد می شود. همانطور که برش دورتر از محل شروع پخش می گردد، در چندین جبهه برش فرو می رود و نتایج هک می شود. hackle یک سطح ناهموار است که برای اتصال فیوژن نامطلوب است. محدوده تارشده ناحیه گذار بین ناحیه آینه و ناحیه hackle می باشد.

A.2 نمای نزدیک از کلور فیبر نوری یورک FK-11 که یک کلیور فیبر نوری کارخانه ای یا آزمایشگاهی با کارایی بالا در زمان خودش بود. به تیغه نوک الماسی توجه نمایید که در برابر فیبر تنیده قرار و لمس می گردد تا یک برش اولیه ایجاد شود که منجر به شکاف نهایی می شود. زوایای شکاف معمولی برای این نوع برش کمتر از 0.5 درجه است

شکل A.3 تصویری از مناطق مختلف مرتبط با برش فیبر نوری

نکات کلیو Cleaving یا برش فیبر نوری

یک کلیو فیبر نوری با کیفیت بالا مستلزم آن است که فاقد hackle باشد و mist یا محدوده تار شدگی حداقلی وجود داشته باشد. مرز منطقه mist به شکل زیر تعیین می شود

که در آن σ_a تنش کششی اعمال شده در محدوده است، D_mist فاصله از محل شروع برش تا مرز تار شدگی mist است، و K_fract یک ثابت است که توسط ماده تعیین می شود. تنش کششی اعمال شده، σ_a، را می توان به عنوان تنش شکاف تقسیم بر سطح مقطع فیبر نیز به شکل تقریبی محاسبه نمود.

کشش برش بایستی به اندازه کافی کم باشد تا اطمینان حاصل شود که کل سطح مقطع فیبر در ناحیه آینه قرار می گیرد. هنگامی که یک برش hackle نشان می دهد، کشش برش بیش از حد ممکن است عامل اصلی این نقصان باشد. با این حال، کشش برش ناکافی می‌تواند منجر به یک صفحه انتهایی فیبر زاویه‌دار شود، همانطور که در بخش فرعی بعدی بحث شد. علاوه بر این، کشش برش ناکافی مستلزم آن است که شکاف اولیه بسیار بزرگ باشد، و این شکاف اولیه بزرگ ممکن است خود شامل یک نقص در سطح انتهایی فیبر شکافته شده نهایی باشد. رابطه بین تنش مورد نیاز جهت شکستن تار فیبر و اندازه شکاف اولیه توسط تئوری رشد برش توصیف شده و در مقاله دیگری مورد بحث قرار خواهد گرفت. تئوری رشد برش نشان می دهد که وقتی یک فیبر با قطر 125 میکرومتر با کشش شکاف معمولی حدود 200 گرم نیرو شکافته می شود، طول شکاف اولیه در حد چند میکرون است که با مطالعات منتشر شده در مورد هندسه برش اولیه مطابقت دارد.

A.4 مقایسه دو نوک تار فیبر شکافته شده(کلیو شده) با قطر 125 میکرومتر که با یک میکروسکوپ 0.1 NA 5× که به صورت مایل روشن شده است را مشاهده می فرمایید: (a) کشش شکاف 300 گرم و (b) کشش شکاف 200 گرم. به مقدار قابل توجهی hackle و تار شدگی آشکار در (a) و سطح تقریبا کامل آینه ای در (b) توجه فرمایید.

چنانچه فاصله بین برش اولیه و شروع mist،یا D_mist ، برابر با قطر فیبر تنظیم شود، می توان (A.A1) را دستکاری نمود تا نشان دهد که کشش شکاف مناسب تقریبا با قطر فیبر به توان 3/2 افزایش می یابد. اگر کشش شکاف بهینه برای فیبر سیلیسی معمولی با قطر 125 میکرومتر حدود 200 گرم در نظر گرفته شود، این قانون پوسته پوسته شدن می تواند جهت پیش بینی کشش شکاف مناسب برای سایر قطرهای فیبر، مانند فیبرهای با قطر 80 میکرومتر که به کشش شکافی در حدود 100 گرم نیاز دارند، استفاده شود. . نمودار 2.8 نشان می دهد که چگونه کشش شکاف بهینه با قطر فیبر سیلیس متفاوت است.

فیبرهای نوری طراحی شده جهت نشان دادن مقاومت در برابر سایش بسیار سخت تر از فیبرهای معمولی برش داده می شوند. ایجاد برش اولیه در حین شکاف را می توان نوعی ساییدگی در نظر گرفت. نمونه ای از فیبر های مقاوم در برابر سایش فیبر Corning Titan^TM می باشد که روکش بیرونی آن از مخلوط شیشه TiO2/SiO2 تشکیل شده است. یک توضیح جهت دشواری کلیو این فیبر این است که ضریب انبساط حرارتی پایین شیشه TiO2/SiO2 باعث ایجاد تنش‌های فشاری حرارتی باقی‌مانده در سطح خارجی فیبر می‌شود. تنش های فشاری باقیمانده روی سطح فیبر نوری میزان تنش کششی موجود جهت انتشار شکاف یا برش را کاهش می دهد و در نتیجه شکستگی را مهار می نماید.

A.5 کشش شکاف بهینه برای مقیاس های فیبر سیلیس با قطر فیبر به توان 3/2 افزایش یافته است. کشش های شکاف بهینه مشاهده شده تجربی (دایره های جامد) با یک پیش بینی نظری بر اساس (A.A1) موافق است. (خط توپر)

فیبرهای نوری با مقادیر قابل توجهی تنش فشاری باقی مانده ناشی از کشش روی سطح بیرونی روکش نیز به سختی کلیو می شوند. به عنوان مثال، فیبر نوری که با کشش بالا با یک شیشه با ویسکوزیته پایین کشیده می شوند، مانند یک لایه بسیار آغشته به فلوئور، برش آنها بسیار دشوار است. در این حالت، تنش فشاری باقی مانده ناشی از کشش روی سطح بیرونی فیبر نوری وجود خواهد داشت که آن را بسیار مقاوم در برابر سایش و در نتیجه کلیو آن را دشوار می نماید.

A.6 کلیور لیزری تار های فیبر نوری

 A.7 کلیور فیبر نوری آزمایشگاهی SEDI-ATI

راهنما دستگاه فیوژن فیبر نوری

فیوژن فیبر نوری