一種新型光纖搓扭裝置（FSU）的研制

陳兵

摘 要：通過(guò)對(duì)光纖搓扭裝置（FSU）原理的分析，比較了幾種常用光纖搓扭裝置（FSU）的結(jié)構(gòu)與使用情況，介紹了新型平擺式光纖搓扭裝置（FSU）的研制過(guò)程，并通過(guò)相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)的對(duì)比，最后得出平擺式光纖搓扭裝置（FSU）的優(yōu)勢(shì)所在。

關(guān)鍵詞：光纖搓扭裝置（FSU） ；PMD值；性?xún)r(jià)比；使用成本

1引言

近年來(lái)，隨著大容量、長(zhǎng)跨距、高傳輸速率光纖通信系統(tǒng)對(duì)光纖偏振模色散（PMD）性能要求的日益重視，廣大光纖制造企業(yè)通過(guò)多種途徑力圖改善光纖的PMD值。其中，光纖搓扭裝置（FSU）可以使光纖拉制過(guò)程中光纖截面有規(guī)律地扭轉(zhuǎn)，以達(dá)到光纖經(jīng)涂覆固化后在單位長(zhǎng)度內(nèi)保持一定的扭轉(zhuǎn)圈數(shù)，實(shí)現(xiàn)光纖雙折射的快、慢軸快速變化，從而抵消兩個(gè)正交偏振模在光纖中傳輸時(shí)的相對(duì)相位時(shí)延，降低光纖偏振模色散（PMD）值。

2光纖搓扭原理與參數(shù)

光纖搓扭裝置（FSU）從原理上而言，是為了實(shí)現(xiàn)光纖在沿長(zhǎng)度方向拉制過(guò)程中，使光纖圍繞軸中心呈正、反兩個(gè)方向上的有規(guī)律扭轉(zhuǎn)。

其中，光纖在單位長(zhǎng)度上的正、反向扭轉(zhuǎn)次數(shù)是一項(xiàng)重要指標(biāo)，可以通過(guò)光纖搓扭裝置（FSU）上驅(qū)動(dòng)光纖正、反向旋轉(zhuǎn)的策動(dòng)元器件來(lái)進(jìn)行控制。該指標(biāo)與光纖搓扭裝置（FSU）策動(dòng)元器件的往復(fù)頻率以及拉絲速度有關(guān)。

其次，光纖的單次扭轉(zhuǎn)圈數(shù)是另一個(gè)重要指標(biāo)，這個(gè)指標(biāo)與驅(qū)動(dòng)光纖旋轉(zhuǎn)的作用時(shí)間長(zhǎng)短及拉絲速度相關(guān)。

為了保證光纖偏振模色散（PMD）值滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，還需正確匹配光纖在拉絲過(guò)程中單位長(zhǎng)度內(nèi)的正、反兩個(gè)方向上的扭轉(zhuǎn)圈數(shù)。

通過(guò)對(duì)上述三項(xiàng)指標(biāo)的調(diào)整，最終以滿(mǎn)足光纖偏振模色散（PMD）值符合使用要求為準(zhǔn)。一般情況下，經(jīng)過(guò)光纖搓扭裝置（FSU）作用的光纖的光纖偏振模色散（PMD）值可以達(dá)到0.02-0.06ps/km1/2

3常用光纖搓扭裝置（FSU）結(jié)構(gòu)與使用情況分析

3.1對(duì)搓型結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)是將光纖夾在成對(duì)的平輪中間。如圖1所示。

光纖在拉制過(guò)程中，通過(guò)光纖與平輪表面之間的摩擦力，使平輪產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)。平輪在被光纖帶動(dòng)產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，通過(guò)自身機(jī)構(gòu)的作用，使成對(duì)平輪以光纖所在垂直面為對(duì)稱(chēng)中心面呈正、反方向往復(fù)翻轉(zhuǎn)。在此過(guò)程中，當(dāng)平輪的旋轉(zhuǎn)面偏離光纖所在的垂直面時(shí)，一方面，平輪的高速驅(qū)動(dòng)光纖圍繞軸中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；另一方面，由于受力方向的分解，使高速拉制的光纖與平輪平面之間出現(xiàn)了相對(duì)位移。

在平輪的往復(fù)翻轉(zhuǎn)與高速旋轉(zhuǎn)的共同作用下，光纖圍繞軸中心進(jìn)行正、反方向上有規(guī)律的扭轉(zhuǎn)。同時(shí)，由于光纖與平輪之間的相對(duì)位移，硬度極高的光纖使平輪表面產(chǎn)生嚴(yán)重磨損。如圖2所示。

因此，在對(duì)搓型光纖搓扭裝置（FSU）中，對(duì)于平輪的加工精度要求及工作面硬度要求很高。在實(shí)際使用過(guò)程中，必須及時(shí)更換對(duì)搓型光纖搓扭裝置（FSU）中的平輪，否則就會(huì)產(chǎn)生因?yàn)槠捷啽砻婺p對(duì)光纖造成的損傷。同時(shí)，由于平輪本身的加工成本比較高，因此，該裝置具有比較高的使用成本。

3.2 搖擺型結(jié)構(gòu)

在該結(jié)構(gòu)中，光纖包覆于一個(gè)導(dǎo)輥表面，通過(guò)導(dǎo)輥的作用改變拉制方向。如圖3所示。

導(dǎo)輥被安裝在一個(gè)Z字形支架上，并圍繞Z字形支架兩端點(diǎn)連線(xiàn)形成的中心軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，導(dǎo)輥不斷的進(jìn)行搖擺，包覆在導(dǎo)輥表面的光纖在爬坡原理的作用下，不斷地在導(dǎo)輥表面進(jìn)行往復(fù)滾動(dòng)，形成搓扭。如圖4所示。

在該結(jié)構(gòu)中，由于光纖是依靠在導(dǎo)輥表面的滾動(dòng)產(chǎn)生搓扭，因此，光纖需要有一定的滾動(dòng)范圍，即光纖會(huì)與拉絲中心線(xiàn)產(chǎn)生明顯偏離；但是，如果偏離量太大的話(huà)，又會(huì)對(duì)拉絲穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。所以，在該結(jié)構(gòu)中，Z字形支架兩端點(diǎn)連線(xiàn)位置可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.3翻轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)

翻轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)沿襲了對(duì)搓型結(jié)構(gòu)中平輪的動(dòng)作特點(diǎn)，即導(dǎo)輪在自身機(jī)構(gòu)的作用下，以光纖所在垂直面為對(duì)稱(chēng)中心面呈正、反方向往復(fù)翻轉(zhuǎn)。所不同的是：在對(duì)搓型結(jié)構(gòu)中，是依靠成對(duì)的平輪對(duì)光纖產(chǎn)生的壓力驅(qū)動(dòng)光纖往復(fù)旋轉(zhuǎn)；而在翻轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)中，在V型導(dǎo)輪的翻轉(zhuǎn)角、光纖在導(dǎo)輪上形成的包覆角、導(dǎo)輪兩側(cè)冀摩擦力的共同作用下，，使光纖產(chǎn)生往復(fù)旋轉(zhuǎn)。如圖5所示。

在翻轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)中，V型導(dǎo)輪的翻轉(zhuǎn)角驅(qū)動(dòng)光纖旋轉(zhuǎn)的原理與對(duì)搓型結(jié)構(gòu)中平輪驅(qū)動(dòng)光纖旋轉(zhuǎn)的原理類(lèi)似；同時(shí)，為了保證V型導(dǎo)輪的翻轉(zhuǎn)角驅(qū)動(dòng)光纖旋轉(zhuǎn)的效果，光纖需要導(dǎo)輪上形成一定的包覆角，即光纖需偏離拉絲中心線(xiàn)；在翻轉(zhuǎn)型FSU中，導(dǎo)輪被設(shè)計(jì)成帶有側(cè)冀的V型結(jié)構(gòu)，在導(dǎo)輪翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，兩側(cè)側(cè)冀對(duì)光纖的旋轉(zhuǎn)作用力相互抵消，使導(dǎo)輪與光纖之間產(chǎn)生的靜摩擦力。

4 新型平擺式光纖搓扭裝置（FSU）的研制

無(wú)論哪種結(jié)構(gòu)的光纖搓扭裝置（FSU），其最終目的都是為了實(shí)現(xiàn)光纖在沿長(zhǎng)度方向拉制過(guò)程中，使光纖圍繞軸中心呈正、反兩個(gè)方向上的有規(guī)律扭轉(zhuǎn)。市場(chǎng)上常見(jiàn)的上述三種結(jié)構(gòu)的光纖搓扭裝置（FSU）一定程度上都實(shí)現(xiàn)了降低光纖偏振模色散（PMD）值的目的。但是，由于各種結(jié)構(gòu)設(shè)備在自身在原理上的不同，或多或少存在一些如影相隨的問(wèn)題。

根據(jù)陀螺原理，當(dāng)沿線(xiàn)性方向高速移動(dòng)的導(dǎo)線(xiàn)在切線(xiàn)方向受到作用力時(shí)，光纖即會(huì)沿切向方向產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。據(jù)于此，我們研發(fā)了一種平擺式光纖搓扭裝置（FSU）。所圖6所示。

在平擺式光纖搓扭裝置（FSU）運(yùn)行過(guò)程中，導(dǎo)輪兩側(cè)側(cè)冀依次不斷與高速拉制過(guò)程中的光纖產(chǎn)生接觸。當(dāng)其中一側(cè)側(cè)冀與光纖接觸時(shí)，光纖即向相反方向產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，光纖旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的多少與導(dǎo)輪與光纖接觸的深度有關(guān)；當(dāng)導(dǎo)輪向相反方向擺動(dòng)時(shí)，光纖旋轉(zhuǎn)得到釋放；當(dāng)另一側(cè)側(cè)冀與光纖接觸時(shí)，光纖向另一側(cè)反方向旋轉(zhuǎn)；如此反復(fù)循環(huán)，即可使光纖在拉制過(guò)程中，圍繞軸中心呈正、反兩個(gè)方向上的有規(guī)律扭轉(zhuǎn)。

在平擺式光纖搓扭裝置（FSU）中，搓扭輪通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在搓扭傳動(dòng)及執(zhí)行裝置作用下，搓扭輪來(lái)回?cái)[動(dòng)，通過(guò)搓扭輪對(duì)光纖的作用，使光纖產(chǎn)生周期性的扭轉(zhuǎn)。通過(guò)調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以改變搓扭輪的擺動(dòng)頻率。通過(guò)PLC控制，可根據(jù)拉絲速度的變化達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)光纖扭轉(zhuǎn)頻率的功能。搓扭輪的位置可以調(diào)節(jié)，以改變搓扭輪對(duì)光纖扭轉(zhuǎn)的作用力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)扭轉(zhuǎn)周期內(nèi)光纖正、反兩個(gè)方向上的扭轉(zhuǎn)角度。

由于在平擺式光纖搓扭裝置（FSU）中，導(dǎo)輪的旋轉(zhuǎn)方向始終與光纖拉制方向一致并同步；同時(shí)，光纖與導(dǎo)輪之間產(chǎn)生的是間隙性的接觸。因此，光纖與導(dǎo)輪之間的相互摩擦對(duì)彼此造成的傷害非常小。

在實(shí)際使用中，平擺式光纖搓扭裝置（FSU）由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)合理、操作方便、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)得到廣泛關(guān)注。圖示7是該裝置的實(shí)物。

5平擺式光纖搓扭裝置（FSU）性能測(cè)試

5.1 PMD實(shí)測(cè)數(shù)值對(duì)比

為評(píng)價(jià)平擺式光纖搓扭裝置（FSU）的實(shí)際性能。以國(guó)內(nèi)某光纖廠(chǎng)家生產(chǎn)相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)為例。

通過(guò)上述案例可以看出，當(dāng)在拉絲過(guò)程中使用FSU時(shí)，會(huì)使光纖的PMD值得到明顯改善。

5.2不同搓扭頻率下的光纖PMD數(shù)值對(duì)比（拉絲速度恒定）

以在國(guó)內(nèi)某光纖廠(chǎng)家150#拉絲機(jī)上安裝平擺式光纖搓扭裝置（FSU）后，拉絲機(jī)在2200m/min速度下生產(chǎn)G652B光纖的相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)為例。

通過(guò)上述案例可以看出，當(dāng)拉絲速度保持不變的情況下，調(diào)整FSU的搓扭頻率，可以明顯改變光纖的PMD值。當(dāng)搓扭頻率逐步升高的情況下，PMD值的變化率趨向平緩。

6結(jié)論

平擺式光纖搓扭裝置（FSU）具有其他同類(lèi)設(shè)備所無(wú)法比擬的原理優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，該裝置還具有優(yōu)越的性?xún)r(jià)比以及良好的使用效果；在實(shí)際使用過(guò)程中，該裝置還具有極低的使用成本。因此，該裝置的研制具有十分重要的積極意義。

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