CN100412585C - Pm光纤对准 - Google Patents

Abstract

在一个自动光纤接合器中对准两条PM光纤的端部的偏振轴，这首先是通过以和传统接合相同的方式利用可移动固定器(21)线性对准两个光纤端部(1，1’)。用可旋转支架(22)旋转光纤端部，以由摄像机(9)捕获各个图像，并且随后在由逻辑电路(33)控制的图像处理和分析单元(15)中将光对比度曲线作为角度位置的函数确定。根据光对比度曲线确定偏振轴，并且随后将它们彼此对准。如在观察平面上所见，捕获的是光纤端部及其周围区域的图像。选取观察平面具有这样的位置：光对比度曲线的变化足够大，这就使得偏振轴角度位置的确定具有足够的精确度，例如对椭圆纤芯光纤也是这样。

Description

PM光纤对准

技术领域

本发明涉及将被彼此熔接的两条偏振保持(PM)光纤的端部的快、慢光轴的对准，具体来说，涉及具有相对较弱的椭圆率的椭圆芯光纤的对准。

背景技术

本申请要求2002年2月26日提交的瑞典专利申请第0200569-2号的优先权和利益，该申请的全部教导在此引用以作参考。

在两条光纤彼此接合之前，为了使在光纤中传播并通过接头的光的光衰减最小化，适当的彼此对准两条光纤是有必要的。在使两条PM光纤彼此对准的具体情况下，必须特别考虑光纤的几何结构。和传统的光纤一样，商业可用的PM光纤具有纤芯区域和环绕包层，该包层的外表面通常是圆柱形的。然而，在垂直于PM光纤纵轴的横截面上，折射率的分布并不是关于光纤轴圆对称的，这与传统的情况不同。

因此，为了将PM光纤彼此接合，一个很重要的问题是要实现良好的角度对准或方位角对准，以便在两条PM光纤将彼此接合的紧邻的两个相对光纤端面上，折射率相等的区域彼此尽可能的接近。角度对准有两个常用的基本方法——所谓的主动和被动对准方法。对于主动对准方法，需要有高度偏振的光源、偏振消光比(PER)测量计和装有光纤旋转器的设备。PER被定义为沿两条主光轴测量的dB形式的光功率比。当使一个光纤端部在接合点相对于另一个光纤端部旋转，通过使PER的值最大化就可以实现角度对准。一种采用了PM光纤角度对准的主动方法的设备公开于1992年，见Keinichiro Itoh等人1992年10月20日的美国专利第5,156,663号。

被动对准方法是借助于自动熔接器中的数字成像技术而在接合点处局部地执行。已经开发了几种不同的技术以用于被动地对准PM光纤。一种利用干涉图样来确定PM光纤偏振轴的方法公开于1994年，见Richard B.Dyott等人1994年6月21日的美国专利第5,323,225号。一种利用光弹性效应来确定PM光纤偏振轴的方法公开于1995年，见Laurence N.Wesson的1995年5月23日的美国专利第5,417,733号。已经提出了强度曲线分析方法，例如光纤侧视图方法，见H.Taya、K.Ito、T.Yamada及M.Yoshinuma的“New splicing method forpolarization maintaining single mode fibers，”Conf.on OpticalFiber Communication(OFC’89)，THJ2，1989和H.Taya、K.Ito、T.Yamada及M.Yoshinuma的“Fusion splicer for polarizationmaintaining single mode fiber”，Fujikura TechnicalReview，pp.31-36，1990，以及光纤端视图方法，见K.Itoh、T.Yamada、T.Onodera、M.Yoshinuma及Y.Kato的1992年9月15日的美国专利第5,147,434号“Apparatus for fusion splicing a pair ofpolarization maintaining optical fibers”和K.Itoh、T.Yamada、T.Onodera、M.Yoshinuma及Y.Kato的1992年10月20日的美国专利第5,156,663号“Apparatus for fusion splicing a pair ofpolarization maintaining optical fibers”。更先进的技术，见Wenxin Zheng的“Automated Fusion-Splicing of PolarizationMaintaining Fivers”，IEEE J.Lightwave Tech.，Vol.15，No.1，1997，例如利用透镜效应跟踪的偏振观察(POL)曲线和POL相关性方法的组合以用于直接和间接地确定PM光纤角度偏移量，也已经被公开，见发明者Wenxin Zheng等人1993年3月的瑞典专利第9300522-1号，Wenxin Zheng等人1996年11月5日的美国专利第5,572,313号，Wenxin Zheng等人1998年5月26日的美国专利第5,758,000号，以及Wei-Ping Huang等人已公布的国际专利申请第WO 01/8633号。对于当时在市场上可以得到的最普通的PM光纤例如Panda和Bowtie光纤来说，在自动电弧熔接器中非常成功地采用了这些技术。

近来，在通信系统的构建中椭圆芯光纤已引起了人们极大的注意，比如说构建掺铒PM光纤放大器和光纤传感器。不幸的是，由于基本的技术限制，现有的对准技术，见上述关于POL曲线方法的专利，对椭圆芯类型很难产生稳定且一致的角度对准结果。举例来说，所述方法不够灵敏，因而当旋转光纤时不能精确测量强度曲线中的细小变化。因此，就需要改进本领域中的现有对准技术，特别是那些基于POL曲线的技术，以便能够处理所有类型的PM光纤。

具体来说，当从光纤的一侧照射每条光纤、并将光纤视作圆柱状透镜来沿着焦平面中的一条与光纤纵轴和照射光源传播方向都垂直的直线观察光强度变化时，就会出现上述那些问题。一般来说，当光纤绕其纵轴旋转时，所述强度具有在高度上有变化的中心峰值，见瑞典专利第9300522-1号和上面引用的已公布的国际专利申请第WO01/8633号。在这里，计算光对比度h是有意义的，它是中心峰值和周围区域之间的强度差。可以将光对比度变化作为旋转角度，即方位角角度的函数，从而获得光对比度的曲线。

h值的最高可能对比度，即光对比度曲线中最大和最小h值之间的差，对于确保高质量的对比度曲线是必要的。已经知道，对于椭圆芯类型的PM光纤来说，在一个典型的自动熔接器中测量得到的h值的对比度通常低于10个灰度级。因此在这种情况下，光对比度曲线对于所用接合器的光学成像系统的调节变得十分敏感。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方法和设备，用于提高PM光纤的h值的光学测量，特别是对所测量的POL曲线中的所述对比度的测量的质量。

因此，通常对在其中观察所述对比度的平面，即焦平面进行仔细调节。

在观察所述平面中的光强度变化的基础上来调节所述平面，以便获得最分明的或最高的可能对比度。这一更分明的对比度导致一个利用POL方法对PM光纤主光轴角度位置的好得多的估计，此估计方法适合于对准所有类型的PM光纤，特别是具有椭圆芯的PM光纤。

从一侧照射PM光纤，当光纤绕其纵轴旋转时其透光性是不对称的，通过观察该PM光纤的焦距依所述不对称性的细微变化可以得到上面问题的一个解决方案。通常当观察平面和焦平面匹配时可以得到一个“最佳匹配平面”，在其中可以获得h值的最高对比度，特别是对于所考虑光纤的这样的角度位置：光纤慢光轴还近似指向所述照射光线的传播方向和所述成像系统的光轴，这里假定该传播方向和该光轴彼此平行。已经发现，当沿着光线方向确定最佳匹配平面的位置时，可接受的误差很大程度上取决于所考虑的PM光纤。对于具有椭圆芯的PM光纤来说，可接受的位置误差一般只有几微米。

通过采用一个所谓的“自动散焦”方法来自动搜索最佳匹配平面，这里提出的该方法改进了前面引用的公开于瑞典专利第9300522-1号和已公布国际专利申请第WO 01/8633号中的处理过程。这样一个处理的优点在于，例如在熔接过程中，该处理对于各最优位置更为精确地对准具有椭圆芯的PM光纤。

在下面的说明中将阐明本发明的另外的目的和优点，所述目的和优点可以部分地从下面的说明中明显看出，或者通过实践本发明获悉。借助于在所附权利要求书中特别指出的方法、处理过程、工具及其组合，可以实现及获得本发明的目的和优点。

附图说明

在所附权利要求书中特别阐明了本发明的新颖性特征，而通过参照附图来考虑接下来于下文中提出的非限制性实施例的详细描述，可以完全了解本发明的结构和内容以及本发明的上述和其它特征，并更好地理解本发明，在附图中：

图1a、b是用于对准两条PM光纤的设备的示意图，

图2是示出光对比度h对于Panda光纤的两个定向的显著差别的示意图，

图3是示出从Panda光纤获得的典型光对比度曲线的曲线图，

图4是主要类型PM光纤的示意图，其中相应地标出了各光纤的主光轴，

图5是示出从具有椭圆芯的PM光纤获得的典型光对比度曲线的曲线图，

图6是用于在自动散焦应用中搜索最佳匹配平面的光学成像设备的示意图，

图7a、b是从两个散焦方向得到的像，距离一个参考平面的每侧各几十微米，及

图8是说明在熔接中借助自动散焦的对准方法的程序流程图。

具体实施方式

在图1a和图1b的示意图中示出了适于接合PM光纤的自动光纤接合器的基本部件。图1a是靠近两条PM光纤1和1’的端部的光学安排的示意图，将要利用两个电极3的尖端之间的放电将所述两条光纤彼此熔接。两个光源11在两个垂直的方向上用平行光线从光纤的两侧照射光纤的接合位置。由于光纤本身可作为圆柱透镜工作，于是在该光纤的焦平面上就出现变化的光强度分布，正如沿着在焦平面内与光纤纵轴垂直的直线所观察到的一样。通过使用由透镜系统7图示的适当的聚焦组件，如在所述透镜组件的物平面中得到的4个光强度分布，每个分布是关于每一条光纤和每一个方向，被依次成像在电视摄像机9的感光面上，例如包括携带有CCD单元的平板。因此，由所述摄影机捕获的每幅图像包括在接合位置处的两条PM光纤的端部的图像。对应于每幅所捕获图像的电视信号随后在视频接口31中被处理，以将所述图像的光强度值转换成适当的格式，以用于在图像处理和分析单元15中的进一步处理以及随后在视频监视器17上的呈现。

在图1b中示出了所述光纤接合器的机械和电气安排的更多细节。在对准和接合操作中，由固定器21携带的旋转支架22将PM光纤1和1’的端部严格定位。借助马达23，固定器21可以沿三个垂直的方向x、y和z移动，z方向例如被取为和光纤端部的纵向平行，见图1a，而旋转支架能够旋转360°。在电路模块25中，电线分别从驱动器电路27和29延伸到电极3和马达23。电视摄像机9电气连接到电路模块25中的视频接口31，该视频接口又连接到图像处理和分析单元15，以用于传输所捕获的图像信息。用于处理输入数据的各个步骤由电路模块25中的处理器逻辑电路33控制，该逻辑电路根据图像处理和分析单元15的输出数据向驱动电路27和29提供控制信号。也就是说，作为对PM光纤1和1’的焦平面中的光强度分布具体分析的结果，根据给定的处理算法使光纤的端部相对于彼此移动。与此同时，处理器逻辑电路33将信息提供给图像处理和分析单元15，以用于控制其中所执行的处理和分析。处理器逻辑单元33也控制将高电压提供给电极3，从而使电流在电极尖端之间的放电中流动，该单元还控制此电流的持续时间及其强度。处理器逻辑单元33还控制光源11的照射。

根据由电视摄像机9捕获的图像，在光纤1和1’的焦平面中，沿着与光纤1和1’的端部纵向垂直的适当选择的直线的光强度分布由图像处理和分析单元15确定。根据这些所确定的强度分布，每条线的光对比度h由图像处理和分析单元15计算，该光对比度h是作为各分布的中心峰值的最大强度和所述分布的位于峰值两侧并紧邻峰值的区域的相对恒定的光强度之间的差值，其中该峰值对应于光纤端部图像的纵向中心线。可以观察到，当绕光纤端部的纵轴旋转各光纤端部时，h值有变化。这一变化是由PM光纤的被引入光纤包层和/或纤芯的诸如应力区和/或折射率差异之类的光学不对称性引起的。光学对称性的缺乏导致从一个方位角或角度位置到另一个方位角或角度位置的h值有显著差异。因此，h值就可以表示光纤端部的光学不对称性的位置。当例如将PM光纤端部旋转一整周，由相应的强度分布所确定的h值给出作为角度位置函数的一条光对比度曲线，从中有可能确定所述光学不对称性的角度定向以及PM光纤各端的偏振轴。图2图示了对于Panda PM光纤在两个唯一的定向上，即分别沿着慢、快光偏振轴，获得的显著不同的h值。

图3是示出对于一条典型Panda PM光纤所测量的光对比度曲线的曲线图，即h值作为旋转角度的函数。已经观察到，在该曲线中周期地出现一个双峰结构。该周期和光纤关于其纵轴的对称性直接相关。曲线中的各主峰表示该光纤端部的两个光偏振轴，即快、慢光轴的角度位置。曲线中最高峰的中心位置表示所考虑的PM光纤的慢光轴的角度位置。这是由这一事实得到的：当减小光线传播方向和慢光轴之间的角度偏移量时，光对比度逐渐增大。这一现象对于大多数类型的PM光纤来说是成立的，例如Panda和Bowtie光纤以及具有椭圆套或椭圆纤芯的PM光纤。在图4的横截面视图中示出了这些PM光纤的主光轴。

PM光纤偏振轴的角度定向可以被确定为，如由上述曲线分析给出的慢光轴的相对于方位角或旋转角的某一任意零值的位置。该零值可被选择为例如光纤旋转支架22的初始刻度或零位置。于是快光轴的角度位置距离慢光轴的角度位置是90°。

仔细检查图3，在最高峰中可以看到一个详细的结构。这一结构主要是由于在围绕所考虑光纤端部的某一角度位置的较小范围内光纤纤芯对跨应力区的光传输的影响，在所述角度位置上慢光轴平行于观察方向。因此，有必要选择一个模拟光对比度曲线并从该曲线中提取更详细信息的适当方法，以便能够精确确定慢光轴的位置。

在图5的曲线图中，绘制了对于一条具有椭圆纤芯的PM光纤所测量的典型光对比度曲线。可以观察到在这条曲线和见图3的对于Panda光纤所测量的曲线之间的显著区别。首先，对于一条具有椭圆纤芯的PM光纤来说，在曲线中只周期地出现一个峰，该峰表示光纤的慢光轴。其次，比起对于Panda光纤所获得的约为100个灰度级的h值范围，在具有椭圆纤芯的PM光纤的情况下，在一个典型的自动光纤接合器中测量的h值范围要小一个数量级，实际约为10个灰度级。这一较小的范围是由于，在具有椭圆纤芯的PM光纤中纤芯椭圆长轴和短轴的长度差非常小，一般情况下只有1-2微米。从测量领域中的一般经验可以明显看出，变化范围小的曲线给出所确定的所述偏振轴的角度位置的精确度通常较低，从而基于所确定角度位置的角度对准的质量就较低。因此，必须采用下文中将描述的“自动散焦”之类的特殊技术来克服这一问题。

对于两个PM光纤端部的角度对准来说，可以如下执行一般步骤：选择一个明确定义的角度取样范围，一般是360°，在该范围中测量光强度分布并从而计算两个PM光纤端部的光对比度曲线，通过仔细分析所获得的曲线找到慢光轴，以及将两个PM光纤端部的慢光轴彼此对准。对于执行所述方法所必要的数值计算，可以假定：用于构造两条光纤的光对比度曲线所测量的总共N个点可以由两个向量{ΘA，ΘB}分别表示：

Θ_A＝{θ_a0，θ_a1，θ_a2，...，θ_aaxis，...，θ_aN-1}              (1)

Θ_B＝{θ_b0，θ_b1，θ_b2，...，θ_baxis，...，θ_bN-1}              (2)

其中θ_a0和θ_b0是相对于零值的初始方位角。如果光纤旋转器22的初始位置基本上是任意的，则可选择为零值，θ_a0＝θ_b0＝0°。θ_a，axis和θ_b，axis就是慢光轴所位于的方位角，也就是说，在这些方位角上慢光轴与各自的观察方向平行，所述观察方向在各自透镜系统7的光轴上。因此，两个光纤端部偏振轴之间的角度偏移量ΔΘ由下式给出：

ΔΘ＝|θ_aaxis-θ_baxis|                                        (3)

应该注意到，并不是在θ_a，axis或θ_b，axis的真实值的角度上测量光强度分布，但是这些角度位置通常位于进行测量的两个角度位置之间，所述测量在具有有限、恒定间隔的角度上进行。确定角度θ_b，axis和θ_b，axis的精确度主要取决于光对比度曲线的小范围变化、如将在下文中所说明的在估计中所使用的模型的选择，以及所使用的机械旋转器22的质量。虽然偏振轴角度对准的精确度不直接由测量值的数量N决定，但是根据光纤的对称性和曲线分辨率的要求，优选地还是选取一个相对较大的数量N，在0-180°或者0-360°范围内一般是90-180个点。

在已施行熔接之后，通过利用与上面所讨论的相同的方法检测慢光轴，将两个接合的光纤端部作为一个单元旋转，可以找出两个PM光纤端部的两个慢光轴之间的剩余角度偏移量Δθ。所述偏移量Δθ可被用来估计由接合操作带来的偏振消光比PER的降低。这一降低由ΔΓ表示并由下面式子给出：

ΔΓ＝Γ_before-Γ_after                              (4)

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{after}}=10\log \{(1+\mathrm{\ρ}\cos 2\mathrm{\Δ\θ})/(1-\mathrm{\ρ}\cos 2\mathrm{\Δ\θ})\}---\left(5\right)$

$\mathrm{\ρ}=({10}^{\left|{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{before}}\right|/10}-1)/({10}^{{|\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{before}}|/10}+1)---\left(6\right)$

其中，Γbefore和Γafter分别是接合操作恰发生前和刚发生后的PER。Γbefore和Γafter通常是从所测量的高度偏振光源的PER中所获得的，分别在第一光纤1和第二光纤1’的远端取得。在公式(5)和(6)中，还假定应该使用第二光纤1’的一小段，一般是两米长，来执行对Γafter的测量，以便能够分离出由接合引起的PER降低。

为了从光对比度曲线中精确地确定慢光轴的位置，可以采用一个所谓卡方Chi-Square(x2)拟合的曲线拟合方法。在此方法的框架内，应该有可能通过解析函数的外加一个噪声背景的叠加来模拟所测量的曲线。这样，曲线拟合的质量可以由简化的Chi-Square(x2)函数估计。该简化的x2函数可以由下式表示：

${\mathrm{\χ}}^2=\frac{1}{N-\mathrm{\μ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{F({\mathrm{\θ}}_i-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}G({\mathrm{\θ}}_1;a_{1,j},a_{2,j},a_{3,j}\·\·\·)-C)}{\mathrm{\Δ}{F}_i}\right)}^2---\left(7\right)$

其中G(θi；a1j，a2j，a3j，...)是具有第j拟合参数a1j，a2j，a3j，...的解析函数，而F(θi)是在方位角θi处的第i测量h值的平均值，其具有误差限(error-bar)ΔFi。这里，ΔFi由标准差 $\mathrm{\ΔFi}\≈\sqrt{\frac{1}{M}\underset{l=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{[F\left({\mathrm{\θ}}_i\right)-F_l\left({\mathrm{\θ}}_i\right)]}^2}$ 估计，其中Fl(θi)是在角度θi处总共M个值中的第1单独测量的h值，而N是h值的总数，或者说是方位角测量点的总数。C是代表成像系统噪声背景的一个常数值。μ是在拟合程序中改变的拟合参数的数量，n是在拟合程序中使用的独立解析函数的数量。

在曲线分析中，已证明单个高斯函数可以是用于模拟慢光轴所在的最高峰的适当的解析函数。因此公式(7)可以简化为：

${\mathrm{\χ}}^2=\frac{1}{N-\mathrm{\μ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{F\left({\mathrm{\θ}}_1\right)-G({\mathrm{\θ}}_i;a_{1,}{a}_2,a_3)-C}{\mathrm{\Δ}{F}_i}\right)}^2---\left(8\right)$

其中G(θ_i；a₁，a₂，a₃)是具有拟合参数a₁、a₂和a₃的高斯函数。参数a1代表函数的高度，参数a2和a3分别代表所述最高峰在曲线中的预期中心位置和所述峰的半高全宽(FWHM)。最佳拟合参数组{a_1，best，a_2，best，a_3，best，C}是使代表函数F(θi)的测量数据的高斯函数的概率最大的一组参数。实际上，参数{a_1，best，a_2，best，a_3，best，C}被输入到一个在其中计算x²的数值迭代循环。为使拟合方法成功，随后以系统的方式改变所述参数以便获得想要的结果x²≈1。这样，将由a2，best给出慢光轴的位置。用于拟合的初始值{a_1，0，a_2，0，a_3，0，C}由对高度曲线的预分析确定，例如可以选择a_1，0＝Max[F(θ_i)]，a_2，0＝θ_i{Max[F(θ_i)]}，a_3，0＝2|a_2，0-θ_k{Max[F(θ_i)]/2}|，C＝Min[F(θ_i)]。

根据基础数学，光对比度曲线原则上可以由任意一组初等函数表示，例如多项式和有理函数，对数、指数、幂函数和双曲函数，三角函数和反三角函数等等。解析函数的选择主要取决于对准精确度的要求和用于执行必要计算的时间。根据所考虑的PM光纤的类型，这些要求可能会变化。一个典型实例是成功地使用截断傅立叶级数来模拟Panda和Bowtie类型PM光纤的POL曲线，见Wenxin Zheng的“Automated  Fusion-Splicing of Polarization MaintainingFibers”，IEEE J.Lightwave Tech.，Vol.15，No.1，1997。

从上面的讨论可以推出，h值的最大可能变化范围对于确保光对比度曲线的高质量并从而确保偏振轴角度对准的高精确度是非常重要的。不幸的是，如同上面提到的一样，对于具有椭圆纤芯的PM光纤来说，在一个典型的自动熔接器中测量的h值的变化范围通常小于10个灰度级。这使得所述曲线以及特别是基于该曲线的计算对所述光学成像系统的调节十分敏感。在图6中，简要图示了一个用于自动电弧熔接器中对准的典型的光学成像系统。在此情况下，用一个发光二极管(LED)60来照射光纤。在LED的前方安装有一个散射片70，以改进照射。对于一个给定的方位角，由所述散射光在光纤端部1和1’的焦平面上形成清晰的光强度分布。然而，由于在光纤端部的方位角旋转过程中，横向穿过光纤端部光传输的变化，焦平面的位置会改变。因此就形成了具有一定宽度W的“有效焦平面”80，其由图6中的灰色区域表示。另一方面，由于透镜系统7所表示的光学成像系统的高质量，由图6中的的粗黑线表示的光学成像系统的观察平面90通常非常清晰，即其深度或厚度非常小。参见图6可以看出，所考虑光纤的慢光轴被定向在照射光线的传播方向上并与透镜系统7的光轴平行时获得一焦平面，当观察平面与所获得的焦平面近似重合时可以得到用于确定PM光纤的慢、快光轴位置的精确值的最佳观察平面。对于这一定向，可以明显地以最佳方式确定慢光轴，并从而获得h值的最大变化范围。因此，对于这样一个设置，就获得了质量最好的光对比度曲线以用于确定所想要的角度。已经发现，对最佳观察平面的位置来说，可以接受的失配距离很大程度上取决于所考虑的PM光纤的类型。对于具有椭圆纤芯的这类PM光纤来说，可接受的失配距离一般只有几个微米。

现在将描述针对自动搜索最佳观察平面的“自动散焦”过程。这一过程可以分成五个步骤：(1)找出将被彼此熔接的两条光纤的端部慢光轴的近似角度定向，并据此对准所述轴，(2)找出所述光学系统的基准位置以用于开始所述散焦过程，(3)确定散焦方向，(4)搜索最佳观察平面，以及(5)为两条光纤中的每一条找出改进的慢光轴定向。

步骤(1)比较明白，并且利用了上面讨论的数值方法。对于步骤(2)，用于散焦过程的所述光学或成像系统的基准位置可以选取成具有观察平面90的光学系统的位置或设置，该位置使得从透镜系统7的光轴方向看去可获得光纤包层侧的清晰像，这是由于对于包层直径相同的光纤来说，所述侧的此类观察平面的位置和实际的光纤类型几乎无关。或者，该基准位置也可以被选为这样的位置：其中光强度分布的中心部分，对应于光纤端部的像的中心及其紧邻区域，被清晰地成像在摄像机9的感光区域上。而且对于不同类型的光纤，这一位置只有些微不同。在执行步骤(3)的过程中，执行一个将在下文中描述的图像分析的特定过程。

在图7a和7b中，示出了将观察平面向两个相反的散焦方向移到离基准位置几十微米的位置时所得到两幅图像，图7a中所见的图像对应于将观察平面关于图6所示的有效焦平面或区域80向右侧移动，即靠近透镜系统7，而图7b中所见的图像对应于将观察平面向左侧移动，即远离成像系统。可以看出，从所述图像中获得的由白线示出的光强度分布对于两个散焦方向显著不同。此外，可以观察到，只有当在与用于捕获图7b的相同方向上移动观察平面才能找出最佳观察平面。

因此，可以设置一个阈值以容易地识别正确的搜索方向。在确定正确的搜索方向之后，在过程步骤(4)中设置具有预定搜索范围和预定迭代步长的数值迭代循环。典型的搜索范围和典型的步长分别可以是20微米和0.5微米。如果找到光对比度曲线的可以接受的失真程度，从而就将终止在迭代循环中执行的计算。确定所述失真程度是否可以接受是通过比较h值的绝对偏差Δhi和两个预定阈值hc1及hc2。两个值hc1和hc2是经验确定的量，分别表示称为平坦失真和火花(sparking)失真的两种典型的失真类型。所述绝对偏差按下面方式计算：

$\mathrm{\Δ}{h}_i=\underset{k=1}{\overset{1+p}{\mathrm{\Σ}}}|h_{k+1}-h_k|,i-\mathrm{1,2},..,N-p-1---\left(10\right)$

并且它应当满足下面的条件：

Δh_i≥h_c1                                 (11)

Δh_i≤h_c2                                 (12)

其中hc1≤hc2，p是小于N-1的步数，用于检查失真程度，它的预选择值取决于所考虑类型的PM光纤的光对比度曲线的斜率。一般来说，p的值在3-5的范围内。根据上面对数值拟合过程的讨论，过程步骤(5)也是比较明白的。

应当指出，上面概述的“自动散焦”过程对于h值变化范围较大的PM光纤可能是不必要的，比如对Panda光纤和Bowtie光纤。这是由于此类PM光纤的可接受失配距离要比具有椭圆纤芯的PM光纤大的多，至少要大2-3倍。

基于上面的概念，在图8中示出了一个包括在主光轴对准方法中所执行的各步骤的简化的程序流程图，其中包括自动散焦过程。参照此流程图和其中的块105，通过清洁PM光纤端部然后将它们线性对准，即对准它们的包层外侧或者基于光纤图像中心处的精确聚焦将它们对准来开始一般的熔接过程，所述对准是通过分别在座标方向x、y和z上移动固定器21，也参见图1a和1b。在下一步骤块110中，通过操作旋转支架22，将所固定的两条光纤的端部同时旋转，以作为单个单元平行地以适当的角度步移动，例如移动一整周。对于每一个角度步，各个像通过透镜系统7的成像被捕获，并由电视摄像机9接收。然后，在图像处理和分析单元15中，根据所捕获的图像，确定并记录沿着与所述光纤图像纵轴垂直的方向上适当选择的直线的光强度分布。根据所确定的强度分布，所述对比度曲线，即作为旋转角度函数的h值在同一单元15中得到，并如前面所描述的那样执行曲线拟合。最后，根据所拟合的曲线，确定PM光纤端部的慢、快光轴的角度位置。

在下一个块115中，对于两个PM光纤端部中的每一个所计算的h值的变化范围被确定为最大和最小h值的差(hmax-hmin)，并且判定对于两条PM光纤中的每一个所确定的范围(hmax-hmin)是否大于或等于某一预定值，该预定值例如在一个标准自动接合设备中是30。如果判定所述范围大于该预定值，则所述自动散焦过程就不必要，随后在块120中可以执行两个PM光纤端部的偏振轴的对准，所述对准是通过计算两个PM光纤端部的慢光轴的角度偏移量ΔΘ或者角度定向差，并随后以对应于该差的角度将两个光纤端部相对于彼此旋转。然后在最终块125中执行一般的熔接过程。

在块115中，如果判定某条光纤的h值变化范围小于所述预定值例如30，则执行块130，其中，首先通过如上面对于块120所描述那样，将两个PM光纤端部相对于彼此旋转以使两个PM光纤端部的偏振轴粗略地彼此角度对准。然后，如前面所讨论的那样，基于在光纤端部图像的光纤包层侧或纵向中心部分上的精确聚焦，来确定成像系统的聚焦设置的基准位置。然后通过下面步骤找出开始散焦过程的方向：将观察平面移到更靠近透镜系统7和更远离该成像系统的位置，旋转两个光纤端部以使它们的慢光轴近似平行于成像系统的光轴并捕获每条光纤的图像，如前面所描述的那样确定沿着适当直线的光强度分布，并评估所确定的强度分布以找出所述光强度分布具有最陡峭、最尖锐边沿的位置。选取这一位置以表示观察平面应被移动的方向，在该方向上移动观察平面以获得具有最大变化范围的强度分布。然后，在下一个块135中，通过在确定方向上以具有预定长度的一步从基准位置处移动焦点，即观察平面来开始一个迭代循环。在块140中，以和前面对于块110所描述的类似的方式同时逐步地旋转两个PM光纤端部，对于每一步同时获得图像，确定沿各直线的光强度分布，计算光对比度曲线，以及确定每个光纤端部的主光轴的角度位置。在关于所设定的角度位置对称的角度区间内执行所述步骤，在所述位置上所述慢光轴近似平行于成像系统的观察方向/光轴。随后，在块145中，在选择检查步数p≤N-2及对于所有整数i＝1，2，3，...，N-p-1计算绝对偏差 ${\mathrm{\Δh}}_i=\underset{k=1}{\overset{i+p_i}{\mathrm{\Σ}}}|h_{k+1}-h_k|$ 的同时，检查当前确定的各条对比度曲线的各个值，即h值的绝对偏差，以使得当计算各绝对偏差时所述范围包括各条光对比度曲线的最大和最小值。在块150中，对于所有的i值(i：s)判定是否满足两个条件Δhi≥hc1和Δhi≤hc2，其中如前面所讨论的那样，hc1和hc2分别是平坦和火花(sparking)标准，并且hc1≤hc2。在判定Δhi满足两个条件的情况下，这意味着自动散焦过程已成功，所述过程继续到块120，其中如前面所讨论的那样执行光纤偏振轴的最终对准。

在块150中，如果判定所计算出的绝对偏差不满足所述条件，则自动散焦过程通过再次执行块135继续进行，如前面已经描述过的那样在相同的所确定散焦方向上以相同的步移动观察平面。

虽然在本文中已经说明及描述了本发明的各具体实施方式，但可以看到，本领域熟练技术人员会容易地想到多种另外的优点、修改及变化。因此，本发明就其更广的方面来说并不限于本文中示出及描述的具体细节、代表设备和所说明的实施方式。相应地，在不背离由所附权利要求书及其等效表述所限定的总的创造性概念的精神或范围的前提下，可以进行各种修改。因此，应当看到，所附权利要求书希望包含落在本发明实质精神和范围内的所有此类修改和变化。

Claims (9)

1. 用于将两条光偏振保持光纤的光纤端部的偏振轴彼此对准的方法，该方法包括下列连续步骤：

-将两个光纤端部相对于彼此放置，使得两个光纤端部的纵轴彼此对准，

-以重复的步长在角度方向将所述光纤端部绕其纵轴旋转以取得连续的角度位置，然后对于每个步长在角度方向或角度位置：

--捕获在观察平面中所看到的所述光纤端部的图像，

--根据每一个捕获的图像，确定沿着垂直于每个所述光纤端部纵向的直线的光强度分布，以及

--根据所确定的光强度分布，对于每个光纤端部确定一个对比度值h，至此对于每个光纤端部都得到光对比度曲线，该曲线被确定为所述角度位置的函数，

-根据所述光对比度曲线，分别确定所述两个光纤端部的偏振轴的角度位置，以及

-将所述光纤端部相对于彼此旋转一个角度，该角度等于所述相应光纤端部的偏振轴的角度位置之间的差，

其特征在于，在捕获在观察平面中所看到的所述光纤端部的图像的子步骤中，该观察平面被选取为使得所得到的光对比度曲线的变化范围获得最大可能值，其中所述变化范围也就是最大值和最小值之间的差。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当选取所述观察平面时：

-首先在观察方向上所看到的在所述光纤端部的外部包层侧上进行聚焦，以使得在第一基准位置上的观察平面穿过光纤端部的纵轴，或者首先进行聚焦以使观察平面位于获得对应于所述光纤端部图像中心纵向区域的图像区域的清晰图像的第一基准位置上；以及

-随后将观察平面从第一基准位置处向前或向后移动一段距离。

3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当选取所述观察平面时执行下列步骤：

-首先将观察平面移动到第一基准位置，在所述第一基准位置获得在观察方向上看到的所述光纤端部外部包层侧的清晰焦点，以使得在所述第一基准位置上的观察平面穿过光纤端部的纵轴，或者在所述第一基准位置上的聚焦获得对应于光纤端部图像中心纵向区域的图像区域的清晰图像；以及

-随后通过从所述第一基准位置处移动所述观察平面进行一个迭代搜索，以确定随后在其中捕获所述光纤图像的观察平面。

4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在进行所述迭代搜索的过程中，

-首先确定所述观察平面的移动方向，该方向或是向前或是向后，以及

-随后从所述第一基准位置处，在所确定的移动方向上以预定长度的重复的步长移动所述观察平面。

5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在确定所述移动方向的过程中，通过从所述第一基准位置处以预定长度的步长向前或向后移动所述观察平面，并对于每个位置确定所述光对比度曲线的变化来确定所述方向。

6. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述迭代搜索之前，用所确定的角度位置将所述光纤端部旋转到其中它们的慢偏振轴平行于所述观察方向的角度方向的第二基准位置，并且随后对于迭代搜索的每一步，都先以重复的步长在角度方向将光纤端部绕其纵轴旋转，以在一个以所述第二基准位置为中心的区间内选取各角度位置，并且对于该区间确定所述光对比度曲线，而在所有光对比度曲线都具有适当的变化的情况下停止所述搜索。

7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在确定每个光纤端部的所确定光对比度曲线的变化的过程中，按照 $\mathrm{\Δ}{h}_1=\underset{k=i}{\overset{i+p_1}{\mathrm{\Σ}}}|h_{k+1}-h_k|,$ i＝1，2，3，...，N-p-1计算每个光纤端部的所确定光对比度曲线的失真度，其中N是所述区间内的角度位置的数量，p≤N-2是检查步骤的预定数量，而h_k，k＝1，2，...，N是该区间内的所确定的光对比度值。

-对于所有i值来说，当所有的失真度Δh₁落在一个指定的值范围内即h_c1≤Δh₁≤h_c2时，停止所述迭代搜索，其中h_c1和h_c2是预定的阈值。

8. 用于将两条光偏振保持光纤的光纤端部的偏振轴彼此对准的设备，该设备包括：

-两个固定器装置，其中每一个被安排成固定一条光纤的一个端部，并适于将该端部绕其纵轴移位和旋转一整周，

-连接到所述两个固定器装置的控制装置，用于控制所述两个固定器装置对准由所述固定器装置固定的光纤端部的纵轴，以及移动所述端部使其相互接近定位在接合位置处并随后旋转所述端部，

-用于在所述接合位置处从所述端部的一侧用平行光照射所述端部的两个光源，

-具有感光面并提供视频信号的电视摄像机，

-具有一条光轴的透镜组件，用于将在观察平面处得到的所述接合位置成像在所述感光面上，所述电视摄像机从而捕获该接合位置的图像，

-连接到所述控制装置和所述电视摄像机的处理和分析装置，用于处理和分析由电视摄像机接收的视频信号，

-所述控制装置适于控制所述固定器装置以重复的步长在角度方向将光纤端部绕其纵轴旋转，以取得连续的角度位置，然后对于每个角度位置控制所述处理和分析装置，根据在每一个角度位置上捕获的图像确定沿着垂直于光纤端部纵向的直线的光强度分布，以及根据所确定的光强度分布确定一个对比度值h，至此对于每个光纤端部都得到一条h值的光对比度曲线，该曲线被确定为角度位置的函数，

-所述控制装置还适于控制所述处理和分析装置根据所确定的光对比度曲线确定所述光纤端部的偏振轴的所述角度位置，以及

-所述控制装置还适于控制所述固定器装置将所述光纤端部相对于彼此旋转一个角度，该角度等于所述相应光纤端部的偏振轴的所确定角度位置之间的差，

其特征在于，所述控制装置被安排成控制所述固定器装置移动所述光纤端部，以使所述观察平面取得一个位置，从而使得所确定的光对比度曲线的变化范围获得最大可能值。

9. 根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述处理和分析装置包括：

-用于将所述变化范围作为所确定的光对比度曲线的最大和最小值之间的差来计算的计算装置，

-连接到所述计算装置的比较装置，用于把所述变化范围和一个指定值作比较，以及

-连接到所述比较装置的决定装置，用于决定是否将所述观察平面移动到一个新的位置。

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