一种新型光纤搓扭装置（FSU）的研制

陈兵

摘 要：通过对光纤搓扭装置（FSU）原理的分析，比较了几种常用光纤搓扭装置（FSU）的结构与使用情况，介绍了新型平摆式光纤搓扭装置（FSU）的研制过程，并通过相关实测数的对比，最后得出平摆式光纤搓扭装置（FSU）的优势所在。

关键词：光纤搓扭装置（FSU） ；PMD值；性价比；使用成本

1引言

近年来，随着大容量、长跨距、高传输速率光纤通信系统对光纤偏振模色散（PMD）性能要求的日益重视，广大光纤制造企业通过多种途径力图改善光纤的PMD值。其中，光纤搓扭装置（FSU）可以使光纤拉制过程中光纤截面有规律地扭转，以达到光纤经涂覆固化后在单位长度内保持一定的扭转圈数，实现光纤双折射的快、慢轴快速变化，从而抵消两个正交偏振模在光纤中传输时的相对相位时延，降低光纤偏振模色散（PMD）值。

2光纤搓扭原理与参数

光纤搓扭装置（FSU）从原理上而言，是为了实现光纤在沿长度方向拉制过程中，使光纤围绕轴中心呈正、反两个方向上的有规律扭转。

其中，光纤在单位长度上的正、反向扭转次数是一项重要指标，可以通过光纤搓扭装置（FSU）上驱动光纤正、反向旋转的策动元器件来进行控制。该指标与光纤搓扭装置（FSU）策动元器件的往复频率以及拉丝速度有关。

其次，光纤的单次扭转圈数是另一个重要指标，这个指标与驱动光纤旋转的作用时间长短及拉丝速度相关。

为了保证光纤偏振模色散（PMD）值满足标准要求，还需正确匹配光纤在拉丝过程中单位长度内的正、反两个方向上的扭转圈数。

通过对上述三项指标的调整，最终以满足光纤偏振模色散（PMD）值符合使用要求为准。一般情况下，经过光纤搓扭装置（FSU）作用的光纤的光纤偏振模色散（PMD）值可以达到0.02-0.06ps/km1/2

3常用光纤搓扭装置（FSU）结构与使用情况分析

3.1对搓型结构

该结构是将光纤夹在成对的平轮中间。如图1所示。

光纤在拉制过程中，通过光纤与平轮表面之间的摩擦力，使平轮产生高速旋转。平轮在被光纤带动产生高速旋转的同时，通过自身机构的作用，使成对平轮以光纤所在垂直面为对称中心面呈正、反方向往复翻转。在此过程中，当平轮的旋转面偏离光纤所在的垂直面时，一方面，平轮的高速驱动光纤围绕轴中心进行旋转；另一方面，由于受力方向的分解，使高速拉制的光纤与平轮平面之间出现了相对位移。

在平轮的往复翻转与高速旋转的共同作用下，光纤围绕轴中心进行正、反方向上有规律的扭转。同时，由于光纤与平轮之间的相对位移，硬度极高的光纤使平轮表面产生严重磨损。如图2所示。

因此，在对搓型光纤搓扭装置（FSU）中，对于平轮的加工精度要求及工作面硬度要求很高。在实际使用过程中，必须及时更换对搓型光纤搓扭装置（FSU）中的平轮，否则就会产生因为平轮表面磨损对光纤造成的损伤。同时，由于平轮本身的加工成本比较高，因此，该装置具有比较高的使用成本。

3.2 摇摆型结构

在该结构中，光纤包覆于一个导辊表面，通过导辊的作用改变拉制方向。如图3所示。

导辊被安装在一个Z字形支架上，并围绕Z字形支架两端点连线形成的中心轴进行旋转。此时，导辊不断的进行摇摆，包覆在导辊表面的光纤在爬坡原理的作用下，不断地在导辊表面进行往复滚动，形成搓扭。如图4所示。

在该结构中，由于光纤是依靠在导辊表面的滚动产生搓扭，因此，光纤需要有一定的滚动范围，即光纤会与拉丝中心线产生明显偏离；但是，如果偏离量太大的话，又会对拉丝稳定性产生影响。所以，在该结构中，Z字形支架两端点连线位置可以根据需要进行调节。

3.3翻转型结构

翻转型结构沿袭了对搓型结构中平轮的动作特点，即导轮在自身机构的作用下，以光纤所在垂直面为对称中心面呈正、反方向往复翻转。所不同的是：在对搓型结构中，是依靠成对的平轮对光纤产生的压力驱动光纤往复旋转；而在翻转型结构中，在V型导轮的翻转角、光纤在导轮上形成的包覆角、导轮两侧冀摩擦力的共同作用下，，使光纤产生往复旋转。如图5所示。

在翻转型结构中，V型导轮的翻转角驱动光纤旋转的原理与对搓型结构中平轮驱动光纤旋转的原理类似；同时，为了保证V型导轮的翻转角驱动光纤旋转的效果，光纤需要导轮上形成一定的包覆角，即光纤需偏离拉丝中心线；在翻转型FSU中，导轮被设计成带有侧冀的V型结构，在导轮翻转过程中，两侧侧冀对光纤的旋转作用力相互抵消，使导轮与光纤之间产生的静摩擦力。

4 新型平摆式光纤搓扭装置（FSU）的研制

无论哪种结构的光纤搓扭装置（FSU），其最终目的都是为了实现光纤在沿长度方向拉制过程中，使光纤围绕轴中心呈正、反两个方向上的有规律扭转。市场上常见的上述三种结构的光纤搓扭装置（FSU）一定程度上都实现了降低光纤偏振模色散（PMD）值的目的。但是，由于各种结构设备在自身在原理上的不同，或多或少存在一些如影相随的问题。

根据陀螺原理，当沿线性方向高速移动的导线在切线方向受到作用力时，光纤即会沿切向方向产生旋转。据于此，我们研发了一种平摆式光纤搓扭装置（FSU）。所圖6所示。

在平摆式光纤搓扭装置（FSU）运行过程中，导轮两侧侧冀依次不断与高速拉制过程中的光纤产生接触。当其中一侧侧冀与光纤接触时，光纤即向相反方向产生旋转，光纤旋转圈数的多少与导轮与光纤接触的深度有关；当导轮向相反方向摆动时，光纤旋转得到释放；当另一侧侧冀与光纤接触时，光纤向另一侧反方向旋转；如此反复循环，即可使光纤在拉制过程中，围绕轴中心呈正、反两个方向上的有规律扭转。

在平摆式光纤搓扭装置（FSU）中，搓扭轮通过伺服电机驱动，在搓扭传动及执行装置作用下，搓扭轮来回摆动，通过搓扭轮对光纤的作用，使光纤产生周期性的扭转。通过调节伺服电机的转速，可以改变搓扭轮的摆动频率。通过PLC控制，可根据拉丝速度的变化达到自动调节光纤扭转频率的功能。搓扭轮的位置可以调节，以改变搓扭轮对光纤扭转的作用力，从而实现对每个扭转周期内光纤正、反两个方向上的扭转角度。

由于在平摆式光纤搓扭装置（FSU）中，导轮的旋转方向始终与光纤拉制方向一致并同步；同时，光纤与导轮之间产生的是间隙性的接触。因此，光纤与导轮之间的相互摩擦对彼此造成的伤害非常小。

在实际使用中，平摆式光纤搓扭装置（FSU）由于结构简单、造价合理、操作方便、维护成本低等优点已经得到广泛关注。图示7是该装置的实物。

5平摆式光纤搓扭装置（FSU）性能测试

5.1 PMD实测数值对比

为评价平摆式光纤搓扭装置（FSU）的实际性能。以国内某光纤厂家生产相关生产数据为例。

通过上述案例可以看出，当在拉丝过程中使用FSU时，会使光纤的PMD值得到明显改善。

5.2不同搓扭频率下的光纤PMD数值对比（拉丝速度恒定）

以在国内某光纤厂家150#拉丝机上安装平摆式光纤搓扭装置（FSU）后，拉丝机在2200m/min速度下生产G652B光纤的相关生产数据为例。

通过上述案例可以看出，当拉丝速度保持不变的情况下，调整FSU的搓扭频率，可以明显改变光纤的PMD值。当搓扭频率逐步升高的情况下，PMD值的变化率趋向平缓。

6结论

平摆式光纤搓扭装置（FSU）具有其他同类设备所无法比拟的原理优势；同时，该装置还具有优越的性价比以及良好的使用效果；在实际使用过程中，该装置还具有极低的使用成本。因此，该装置的研制具有十分重要的积极意义。

参考文献：

[1]陈炳炎，光纤光缆的设计和制造，浙江大学出版社，ISBN 978-7-308-15661-5

[2]慕成斌，通信光纤光缆制造设备及产业发展，同济大学出版社，ISBN 978-7-5608-7167-7