一種新型光纖搓扭裝置（FSU）的研制

陳兵

摘 要：通過對光纖搓扭裝置（FSU）原理的分析，比較了幾種常用光纖搓扭裝置（FSU）的結構與使用情況，介紹了新型平擺式光纖搓扭裝置（FSU）的研制過程，并通過相關實測數的對比，最后得出平擺式光纖搓扭裝置（FSU）的優勢所在。

關鍵詞：光纖搓扭裝置（FSU） ；PMD值；性價比；使用成本

1引言

近年來，隨著大容量、長跨距、高傳輸速率光纖通信系統對光纖偏振模色散（PMD）性能要求的日益重視，廣大光纖制造企業通過多種途徑力圖改善光纖的PMD值。其中，光纖搓扭裝置（FSU）可以使光纖拉制過程中光纖截面有規律地扭轉，以達到光纖經涂覆固化后在單位長度內保持一定的扭轉圈數，實現光纖雙折射的快、慢軸快速變化，從而抵消兩個正交偏振模在光纖中傳輸時的相對相位時延，降低光纖偏振模色散（PMD）值。

2光纖搓扭原理與參數

光纖搓扭裝置（FSU）從原理上而言，是為了實現光纖在沿長度方向拉制過程中，使光纖圍繞軸中心呈正、反兩個方向上的有規律扭轉。

其中，光纖在單位長度上的正、反向扭轉次數是一項重要指標，可以通過光纖搓扭裝置（FSU）上驅動光纖正、反向旋轉的策動元器件來進行控制。該指標與光纖搓扭裝置（FSU）策動元器件的往復頻率以及拉絲速度有關。

其次，光纖的單次扭轉圈數是另一個重要指標，這個指標與驅動光纖旋轉的作用時間長短及拉絲速度相關。

為了保證光纖偏振模色散（PMD）值滿足標準要求，還需正確匹配光纖在拉絲過程中單位長度內的正、反兩個方向上的扭轉圈數。

通過對上述三項指標的調整，最終以滿足光纖偏振模色散（PMD）值符合使用要求為準。一般情況下，經過光纖搓扭裝置（FSU）作用的光纖的光纖偏振模色散（PMD）值可以達到0.02-0.06ps/km1/2

3常用光纖搓扭裝置（FSU）結構與使用情況分析

3.1對搓型結構

該結構是將光纖夾在成對的平輪中間。如圖1所示。

光纖在拉制過程中，通過光纖與平輪表面之間的摩擦力，使平輪產生高速旋轉。平輪在被光纖帶動產生高速旋轉的同時，通過自身機構的作用，使成對平輪以光纖所在垂直面為對稱中心面呈正、反方向往復翻轉。在此過程中，當平輪的旋轉面偏離光纖所在的垂直面時，一方面，平輪的高速驅動光纖圍繞軸中心進行旋轉；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了相對位移。

在平輪的往復翻轉與高速旋轉的共同作用下，光纖圍繞軸中心進行正、反方向上有規律的扭轉。同時，由于光纖與平輪之間的相對位移，硬度極高的光纖使平輪表面產生嚴重磨損。如圖2所示。

因此，在對搓型光纖搓扭裝置（FSU）中，對于平輪的加工精度要求及工作面硬度要求很高。在實際使用過程中，必須及時更換對搓型光纖搓扭裝置（FSU）中的平輪，否則就會產生因為平輪表面磨損對光纖造成的損傷。同時，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 搖擺型結構

在該結構中，光纖包覆于一個導輥表面，通過導輥的作用改變拉制方向。如圖3所示。

導輥被安裝在一個Z字形支架上，并圍繞Z字形支架兩端點連線形成的中心軸進行旋轉。此時，導輥不斷的進行搖擺，包覆在導輥表面的光纖在爬坡原理的作用下，不斷地在導輥表面進行往復滾動，形成搓扭。如圖4所示。

在該結構中，由于光纖是依靠在導輥表面的滾動產生搓扭，因此，光纖需要有一定的滾動范圍，即光纖會與拉絲中心線產生明顯偏離；但是，如果偏離量太大的話，又會對拉絲穩定性產生影響。所以，在該結構中，Z字形支架兩端點連線位置可以根據需要進行調節。

3.3翻轉型結構

翻轉型結構沿襲了對搓型結構中平輪的動作特點，即導輪在自身機構的作用下，以光纖所在垂直面為對稱中心面呈正、反方向往復翻轉。所不同的是：在對搓型結構中，是依靠成對的平輪對光纖產生的壓力驅動光纖往復旋轉；而在翻轉型結構中，在V型導輪的翻轉角、光纖在導輪上形成的包覆角、導輪兩側冀摩擦力的共同作用下，，使光纖產生往復旋轉。如圖5所示。

在翻轉型結構中，V型導輪的翻轉角驅動光纖旋轉的原理與對搓型結構中平輪驅動光纖旋轉的原理類似；同時，為了保證V型導輪的翻轉角驅動光纖旋轉的效果，光纖需要導輪上形成一定的包覆角，即光纖需偏離拉絲中心線；在翻轉型FSU中，導輪被設計成帶有側冀的V型結構，在導輪翻轉過程中，兩側側冀對光纖的旋轉作用力相互抵消，使導輪與光纖之間產生的靜摩擦力。

4 新型平擺式光纖搓扭裝置（FSU）的研制

無論哪種結構的光纖搓扭裝置（FSU），其最終目的都是為了實現光纖在沿長度方向拉制過程中，使光纖圍繞軸中心呈正、反兩個方向上的有規律扭轉。市場上常見的上述三種結構的光纖搓扭裝置（FSU）一定程度上都實現了降低光纖偏振模色散（PMD）值的目的。但是，由于各種結構設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題。

根據陀螺原理，當沿線性方向高速移動的導線在切線方向受到作用力時，光纖即會沿切向方向產生旋轉。據于此，我們研發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）運行過程中，導輪兩側側冀依次不斷與高速拉制過程中的光纖產生接觸。當其中一側側冀與光纖接觸時，光纖即向相反方向產生旋轉，光纖旋轉圈數的多少與導輪與光纖接觸的深度有關；當導輪向相反方向擺動時，光纖旋轉得到釋放；當另一側側冀與光纖接觸時，光纖向另一側反方向旋轉；如此反復循環，即可使光纖在拉制過程中，圍繞軸中心呈正、反兩個方向上的有規律扭轉。

在平擺式光纖搓扭裝置（FSU）中，搓扭輪通過伺服電機驅動，在搓扭傳動及執行裝置作用下，搓扭輪來回擺動，通過搓扭輪對光纖的作用，使光纖產生周期性的扭轉。通過調節伺服電機的轉速，可以改變搓扭輪的擺動頻率。通過PLC控制，可根據拉絲速度的變化達到自動調節光纖扭轉頻率的功能。搓扭輪的位置可以調節，以改變搓扭輪對光纖扭轉的作用力，從而實現對每個扭轉周期內光纖正、反兩個方向上的扭轉角度。

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

在實際使用中，平擺式光纖搓扭裝置（FSU）由于結構簡單、造價合理、操作方便、維護成本低等優點已經得到廣泛關注。圖示7是該裝置的實物。

5平擺式光纖搓扭裝置（FSU）性能測試

5.1 PMD實測數值對比

為評價平擺式光纖搓扭裝置（FSU）的實際性能。以國內某光纖廠家生產相關生產數據為例。

通過上述案例可以看出，當在拉絲過程中使用FSU時，會使光纖的PMD值得到明顯改善。

5.2不同搓扭頻率下的光纖PMD數值對比（拉絲速度恒定）

以在國內某光纖廠家150#拉絲機上安裝平擺式光纖搓扭裝置（FSU）后，拉絲機在2200m/min速度下生產G652B光纖的相關生產數據為例。

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

6結論

平擺式光纖搓扭裝置（FSU）具有其他同類設備所無法比擬的原理優勢；同時，該裝置還具有優越的性價比以及良好的使用效果；在實際使用過程中，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。

參考文獻：

[1]陳炳炎，光纖光纜的設計和制造，浙江大學出版社，ISBN 978-7-308-15661-5

[2]慕成斌，通信光纖光纜制造設備及產業發展，同濟大學出版社，ISBN 978-7-5608-7167-7