CN1017657B - 截断光导纤维的方法和装置 - Google Patents

Abstract

截断光导纤维的装置包括夹紧单元(2和4)，并装设纤维夹持器(9)以便对纤维(OF)施加拉力(P1)。在插入带(8和8′)之间以前，将纤维在要截断的位置上刻个V形切痕(N)。使带(8和8′)成这样形状以便当纤维(OF)在带(8和8′)之间滑移时，使纤维(OF)在切痕(N)处断开。然后用纤维夹持器(9)将纤维(OF)的一截断端面拉离另一端面(8和8′)。

Description

本发明涉及截断光导纤维的方法和装置。

在美国专利US-A-4，662，710中已公开了截断光导纤维的方法，该方法将有切痕的光导纤维放在第一和第二弹性件的相对表面之间，并使有切痕的纤维段夹在这两表面之间，对弹性件施加压力，将纤维在切痕周围向第一方向弯曲，并使其处在张力之下，以便伎纤维在这些表面之间的断开位置从切痕处断裂。

在上述专利说明书所描述的方法中，弹性件是横截面为矩形的橡胶带，这两相对表面之一是直的;另一个则朝直表面弯成弓形。在压力作用下，纤维的切痕部分受弯曲载荷与拉伸载荷的双重作用，引起从切痕处扩展的断裂。从而将纤维截断。如果纤维的切痕部分处在适当的受力状态，每一截断的纤维端面都将基本是光学上光滑的表面，在工艺上称为“镜”型表面。在将此纤维端与类似的纤维端对接在一起以提供光导纤维接头时，不需预先将这种镜型表面抛光。为了能通过接头最佳传送光线，断裂角应在1度之内。

已经发现，在使用所述方法的过程中，当纤维断裂时纤维断裂表面的尖锐边缘会损害橡胶带，从而使橡胶带的相对表面变得不平，这会影响镜型表面的质量或断裂角，或者两者都受影响，还有，由于纤维断裂所产生的纤维另星碎片，如玻璃碎片，可停留在橡胶带上或其内部，损害镜型表面和断裂角。

橡胶带的宽度和厚度公差及橡胶带的形状也会影响镜型表面和断裂角，而且也很难得到在这些方面都很合适的橡胶带。橡胶带的压缩量将按照该公差和带的形状而改变，带的形状应始终为矩形。这种变化可能引起镜型表面和断裂角的明显变化，尤其当换用新的橡胶带时。当将带子相互顶压时，除非带子保持严格的矩形断面，否则在该压力的作用下，纤维将被扭曲而使断裂角增大。实际上，如果在美国专利US-A-4，662，710所描述的方法中使用这样的橡胶带，镜型表面的光滑程度和断裂角的大小都可能直接随着带子在它们支持工具上的移位而变化。

虽然通过使用特种硅橡胶带可使上述缺点减至最小，但实际上不可能将它们消除。

另外，在硅橡胶的加压和减压期间，当纤维断裂时，断裂纤维的尖锐边缘将从该相对的表面上刮下很多橡胶微粒，这些微粒停留在纤维的断裂端面上。在橡胶带减压期间，两端面相对移动靠近，因此橡胶的自由微粒被挤压在这两端面之间，并粘附在那里达到不能使用粘胶带将它们从端面上除去的程度。这种端面的污染可能在两纤维端面之间造成间隙，而这两纤维端面已经通过例如压合接头连接在一起，进行光的传送。因此光在两纤维之间的传送明显地受到影响，或者甚至由于该沾污物的存在，当接头的芯料例如铝，在压合操作中被压入间隙的中心部分时切断光的传送。

按照本发明的一个方面，为了减轻在本说明书的第二段中所描述方法的上述缺点，在加压期间在纤维上施加压力，以使它在弹性部件之间从起始位置开始沿轴向滑动，直到切痕移至该断裂位置;按纤维滑动方向，在断裂位置的上游，在纤维上加上弯曲力使它在切痕附近 朝第二和相反的方向弯曲，因此当切痕从起始位置移动到断裂位置时，纤维在切痕附近的弯曲方向逐渐向相反方向转变。纤维朝该第二方向上的弯曲倾向于使切痕闭合。

通过适当选择压力和拉力的相对值，可以使得在断裂位置处纤维切痕部分的应力分布是这样，从而在纤维断裂时几乎没有或没有雾状或锯齿状的断面产生，因为纤维中断裂从切痕扩展的速度将不超过约为声速1/3的临界速度。

在纤维断裂后纤维的这些端面不会相对移动靠近，因为施加拉力，这些端面一断裂就立即相互分离。

因为使纤维在弹性带之间滑动，减少或避免纤维由于被夹紧而产生的扭曲，因此断裂角小到符合要求。

对纤维施加拉力之前，可在断裂位置上游对纤维施加弯曲力，因此纤维只承受在该第二方向上的弯曲载荷而没有拉伸载荷。

按照本发明的实施方案，当拉伸载荷逐渐增加时，在纤维上的弯曲载荷在切痕的起始位置和该断裂位置之间的中点减小到0。

按照本发明的另一方面，用来将光导纤维在切痕处截断的位置，包括支持在相反位置的第一和第二弹性带，以便它们之间有接纳纤维的相对表面，和对弹性带施加压力的机构，使纤维在切痕附近朝第一方向弯曲和使纤维在断裂位置在带中断开。装设对纤维施加拉力的机构，以便在加压期间使纤维在带之间沿轴向滑动，将切痕拉到断裂位置，在纤维滑动方向断裂位置的上游，带上有相反弯曲的表面，以便在加压期间在该起始位置切痕附近，朝与该第一方向相反的第二方向弯曲纤维，因此当切痕从起始位置移动到断裂位置时，使纤维在切痕附近的弯曲方向逐渐向相反的方向转变。

最好将带支持在刚性块例如金属块上，块有相对的表面，将带牢固地粘附在其上面，将块制成能提供这两个弯曲表面的形状。

按照本发明的一个实施方案，这样形成块的相对表面，使带的相对表面是互补的波形，当将纤维在带之间加压时，在带的纵向中心的一侧，一条带的凸表面被接纳在另一条带的凹表面内，在纵向中心的另一侧，此带的凹表面接纳该另一条带的凸表面。

按照本发明的另一实施方案，支撑一条带使它有朝另一条带弯成弓形的凸表面，此凸表面沿这条带的全长延伸，另一条带则有从凸表面延伸的平表面，以便在纤维滑动方向的上游将纤维朝该第二方向弯曲。

可由夹紧装置支持这些块，该装置是可调的，以便移动这些块使它们相互分离和相互靠近，相互分离时可将纤维插入弹性带的相对表面之间，相互靠近可将纤维夹住在带之间，在上面施加予先确定的压力。

可借助纤维夹持器施加拉力，纤维夹持器夹住从弹性带之间伸出的纤维的一端，它能移动，从而纤维夹持器夹住纤维的一端插入到带之间，达到由止动器所限定的长度，纤维夹持器也能移动离开弹性带以便对纤维施加予定的拉力。

为更好地了解本发明和说明如何实施本发明，现在参考附图举例说明，其中

图1是按照本发明第一实施方案截断光导纤维装置的一对夹紧单元的示意的侧示图;

图1A是装置示意的侧示图，显示夹紧单元在开启位置;

图1B是图1A的平面图;

图1C是与图1A类似的图，显示夹紧单元在闭合位置;

图1D是带有切痕纤维的局部侧视图，纤维将在此切痕处截断;

图2到7是与图1类似的示意图，图示说明应用此装置截断光导纤维方法的各个阶段;

图2A到7A是纤维切痕部分的局部放大的断面图，分别图示说明在图2至7所显示的各阶段的应力分布;

图8是图示说明已用本装置截断的光导纤维端部的正视图，两端部相互部分搭接;和

图9到15是省略了一些部分的示意的正视图，图示说明应用按照本发明第二实施方案的装置截断光导纤维的各个步骤。

如图1A所示，截断光导纤维的装置，包括一般用1表示的支持在夹紧架3上的纤维夹紧装置，和支持可以移动的纤维夹持器9的固定架7。

纤维夹紧装置1包括纤维夹紧单元2和4，单元2和4分别包括例如用金属制作的刚性块6和6′。刚性块6和6′有彼此互补的波形相对表面10和10′。用适宜的粘结剂将弹性带8和8′分别粘附在表面10和10′上，弹性带由耐磨损材料例如合成毛毡制作，每条带8和8′各自沿着表面10和10′的外形粘贴，分别有相对的表面11和11′。由于它们的支持表面10或10′的蛇形形状，在有相对表面11和11′的各条带8和8′上，按一定间距的点A到E处，有长度不同的半径RX，标记在图1中。表面11从其右（见图1）端12开始，通过点A和B直到C为连续的凸面，从点C通过点D和E到它的左（见图1），端14是相反的形状，就是说为凹面。表面11′从其右（见图1）端12′通过点A和B直到C是连续的凹面，从点C通过点D和E到其左（见图1）端14′是相反的形状，就是 说为凸面。因此在所有情况下，每条弹性带8和8′的弯曲，从而它们的相对表面11或11′的弯曲在C点处转向相反。

如图1A到1C所示，夹紧架3有操作杠杆5，用来移动支持部件2′和4′，以便使单元2和4在开启位置与闭合的纤维夹紧位置之间垂直地相互移近和离开，在开启位置，可将光导纤维OF的一端沿带8和8′的纵向插入表面11和11′之间，在闭合的纤维夹紧位置，单元2和4如图1C所示，可以操作杠杆5，以对纤维OF的该端部施加予先确定的夹紧力F1。支架7有操作柄13用来移动纤维夹持器9，使其移近和离开纤维夹紧装置。

为供此装置使用，在纤维OF的该端部已经有尖锐的V形切痕N，例如通过划切或蚀刻。在图1D中可清楚看到切痕，以提供如下面描述的那样纤维端部能在该处断裂的薄弱区。让带有切痕N的纤维OF通过纤维夹持器9，然后驱动纤维夹持器9使它牢固地夹住通过它的这段纤维OF，利用手柄13将纤维夹持器9从退回位置（未示出）向前推进，在单元2和4处于开启位置时（图1A和1B），将纤维的端部通过表面11和11′之间，使切痕N到达如图2所示的A点。在图2到7中，用虚线N表示切痕N的位置，在图2A到7A中用实线N表示。当单元2和4闭合时（图1C），施加力F1对在表面11和11′之间的纤维部分加压。因此，纤维端部的切痕部分只承受弯曲载荷，这可从图2A中由压应力线CS和拉应力线TS所表示的应力分布中清楚看到这点。带8和8′在A点的形状是这样，施加弯曲载荷使纤维在切痕N附近弯曲，切痕在最上面，其方向与使纤维在切痕N处断开所需要的弯曲方向相反，就是说这方向倾向使切痕N闭合。因此在A点没有产生断裂作用。现在利用手柄13将纤维夹持器9后 退以便施加予先确定的拉力P1（图3），将纤维OF拉向左边（见图3），以使它在表面11和11′之间轴向滑动，从而切痕N从它开始位置即A点，移动通过点B、C和D到达E点，如图4到7所示。

当施加力P1时，切痕在A点处，纤维开始移动，在纤维上切痕N附近的应力分布如图3A所示，主要是弯曲载荷产生，小部分由施加到纤维上的拉伸载荷产生。当纤维继续在表面11和11′之间滑动时，切痕N从A点移到B点，弯曲载荷逐渐减小，拉伸载荷逐渐增加（图4A）。当切痕N到达C点，即表面11和11′的弧形转变点时，弯曲载荷已减小到0，在C点的应力分布只有拉伸载荷（图5和5A），当切痕N从B点移到C点时，拉伸载荷逐渐增大。当切痕N从C点移动到D点时，在纤维切痕部分的弯曲载荷转为相反方向，因此纤维的该部分逐渐朝将纤维在切痕N处截断的方向弯曲。此时在纤维上的拉伸载荷也逐渐增大（图6和6A）。当切痕N从D移至E点时，在纤维切痕部分的弯曲载荷和拉伸载荷都逐渐增大，以便在纤维断裂的E点，它们有合适的相互关系，应力分布是这样，在给定的断裂强度下使局部应力最小（图7和7A），从而当纤维截断时，断裂从切痕N通过纤维的扩展速度不会超过大约等于声速1/3的临界速度。当纤维截断时，纤维夹持器9夹住的这段纤维的截断端被拉离夹在表面11和11′之间的纤维端部，因此纤维的截断端面不会相互挤压。如上描述，当纤维已经截断时，利用杠杆5使单元2和4回到它们的开启位置，从而可以从表面11和11.之间取出纤维OF的截断部分。

当切痕N从A点移至E点时，有两种情况影响在纤维切痕部分的应力分布。

第一，当纤维在带8和8′之间滑动时，拉力P1对纤维的切痕 部分产生拉伸载荷。拉伸载荷和它在纤维中产生的应力从A点（纤维的移动起点）到E点（纤维的截断位置）逐渐增大。

第二，由于弯曲力的存在，在纤维切痕N附近其上部的压应力和在其下部的拉应力，当切痕N从A点移动到C点时，逐渐减小到0，过C点后，压应力和拉应力变成相反方向，因此从C点起在纤维切痕部位的上部将出现拉应力，在它的下部出现压应力，这两应力不断增大，直到切痕N到达截断位置即E点。

因此纤维切痕部分的应力分布如图2A到7A所示。在断裂位置有如图7A所示的应力分布，断裂的纤维端面几乎没有或没有雾状或锯齿状断面，正如上述，这是因为断裂扩展速度将不会超过大约声速1/3的临界极限。这种应力分布使断裂扩展的速度保持在适宜的值，使得截断的纤维端的整个表面是镜型光学表面，因为增大扩展速度的局部应力在给定的断裂强度下为最小。如果断裂扩展速度达到声速的1/3左右，断裂分离的纤维表面将产生很多裂纹，引起表面先呈雾状而后产生锯齿状的断面。因纤维在弹性带之间滑动，减少或甚至避免了由于被夹紧而产生的扭曲，从而截断端面的断裂角是一致的，限制了不希望的光反射回到纤维的内芯，在那里纤维的截断端面16相互邻接但有位移，如图8所示。在图8中，断裂角用参考符号A表示，一般不超过1°。由于使用耐磨损的材料例如合成毛毡制作带8和8′，减少了端面16被带8和8′材料沾污的情况。

现在参考图9至15。按照此实施方案的纤维截断装置包括纤维夹持器18，它与前述的纤维夹持器9相似，安装也相同。纤维夹持器18能移近或离开纤维夹紧装置，纤维夹紧装置一般用参考数字20代表，它包括能移动的上纤维夹紧单元22和能移动的下纤维夹紧单 元24。单元22包括例如由金属制成的刚性块26，它有圆弧形的下表面28，它朝单元24平滑地弯曲成弓形，表面上粘贴由耐磨材料如合成毛毡制作的弹性带30，弹性带30沿着表面28的外形粘贴，使与纤维接触的表面32有半径R1（图9）。单元24包括块34，象块26一样它是刚性的，可由金属制作。块34有第一直的水平表面部分36，它从块34的右端（见图9到15）延伸与较短的向下斜切的第二表面部分38相连接，表面部分38接近块34的左端（见图9到15），向离开表面28的方向倾斜延伸，因此在接近纤维夹紧装置20的左端（见图9到15），表面28和38在纤维夹持器18的方向相互分离。由合成毛毡制作的弹性带40跟随表面36和38的外形，粘贴在其上面。因此带40有第一纤维接触表面部分42，它跟随表面部分36的外形，因而是水平的和直的，和有跟随表面部分38外形的第二纤维接触表面部分44，表面42和44相连形成朝表面32弯曲成弓形的半径R2（图9）。表面32和表面44在朝着纤维夹持器18的方向分离。单元22和24由夹紧架支持，图中未表示，它可与前述的夹紧架3相似，并带有类似的操作杠杆。

图9表示装置处于开始位置，其中，一段长度不定的光导纤维OF的端部已穿过纤维夹持器18，已经开动纤维夹持器18夹住该纤维使它不会相对纤维夹持器18运动。在开始位置，纤维夹持器18位于水平方向回复位置与纤维夹紧装置20较远，单元22和24位于开启状态，所以带30和40的各自表面32和表面42及44在空间上相互分开，以在它们之间接纳纤维OF的端部。然后如图10所示，将纤维夹持器从它的起始位置按图10中箭头B的方向朝纤维夹 紧装置20推进，到达由可调的纤维夹持器止动器S1所限定的位置，因此纤维端插入到带30和40之间，与图1B所示的情况类似，此时在纤维端部予先形成的切痕N大约位于带30和40两终端的中间，这是由纤维夹持器止动器S1的位置决定。接着将夹紧单元24提高到由可调止动器S2确定的位置，从而使纤维端部稍微提高，如图11所示。但是，对止动器S2的调节要求并不苟刻，可在±0.2mm范围内。

如上述将单元24提高以后，使单元22朝单元24下降，如图12所示，利用该夹紧架对单元24施加夹紧力，止动器S2卡位单元24阻止其向下运动。纤维端部是这样夹紧在带30的表面32和带40的表面部分42之间，使得切痕N附近弯曲，其弯曲方向与截断纤维所需要的方向相反，根据表面32的形状，切痕是在最上部。对力F的值要求不是很严，例如为10牛顿±2牛顿。

如图13所示在纤维端部夹在带30和40之间时，退回纤维夹持器18，以对纤维端部施加拉力P，该力的数值根据力F的值和纤维端部与带30和40之间的摩擦系数选择，使得纤维端部可在其间滑动。当切痕N到达邻界区Z时，即带40的表面部分42和44以半径R2相连接的区，纤维端部逐渐在切痕N附近弯曲，其弯曲方向与最初提到的方向相反，结果获得了弯曲载荷和拉伸载荷之间合适的关系（如在图7和7a中E点），纤维端部在切痕N断裂。

通过适当调节止动器S2和力F的值，纤维端部的每个截断端的整个端面部都将是镜型表面和小的断裂角Y，在图14中放大的纤维截断端面16′示意地表示了该角。如图14所示，纤维端部断裂后，将夹持器18退回到起始位置，从而由夹持器18夹持的这段纤维的 截断端面16被拉离仍夹在带30和40之间的纤维剩余部分的截断面，然后如图15所示，将单元22和24移动到它们的开启位置，为纤维截断装置的下一个操作作准备，当从纤维夹紧装置20中取出切断的纤维部分时就可进行下一个操作。

在图9到15所示装置的每个操作周期中，在切痕N附近的应力分布将如图2A到7A所示。上面参考图9到15所描述的截断光导纤维的方法有两个主要参数，就是止动器S2对单元24的定位和F的大小。然而对这些参数的要求并不苟刻，调整这两参数都很容易，对半径R1和R2也没有严格的要求。但切痕N应该是尖锐的V形。

该方法可用另一种方式实施，将止动器S1顶住纤维夹持器，对单元22和24施加力F，移动纤维夹紧装置20使其离开纤维夹持器18，而不是将后者退回而离开前者。在这种情况下，纤维将以和参考图9到15所描述的方法完全相同的方式在带之间滑动，纤维将以同样方式被截断。

上述的截断光导纤维的方法和装置有下述优点，纤维的整个截断端面都是光学光滑的，断裂角很小并且一致，由于纤维几乎没有或没有扭曲，因而能使角小于1″。同时，装置的各部件简单，容易调整，对参数要求也不严。在纤维的截断端面上可能形成的任何微小沾污很容易用粘胶带除掉。

Claims (10)

1、一种在光导纤维上已形成的切痕(N)处截断光导纤维(OF)的方法，该方法包括在第一和第二部件(8、8′)的相对表面(11、11′、32、42)之间夹住纤维(OF)并使切痕(N)在其之间，和在那里对纤维(OF)加压的各个步骤，其特征是：

在加压期间，使纤维(OF)在切痕(N)附近朝第一方向弯曲，使切痕(N)趋向闭合，和对纤维(OF)施加拉力使它在该相对表面(11、11′、32、42)之间轴向滑动；其特征是在施加拉力和压力期间，接着将纤维(OF)在切痕(N)附近朝第二和相反的方向弯曲，使断裂从切痕(N)通过纤维(OF)扩展，导致纤维(OF)在切痕(N)截断。

2、按权利要求1所述的方法，其特征是在对纤维（OF）施加拉力之前，对纤维（OF）施加的弯曲力使纤维（OF）在切痕（N）附近朝第一方向弯曲。

3、按权利要求1或2中任何一项所述的方法，其特征是在拉力作用下切痕（N）在该相对的表面（11、11′、32、42）之间从起始位置（A）移动到截断位置（E），在此位置断裂扩展通过该纤维（OF），和在这两个位置（A、E）中间的位置（C），纤维（OF）只承受拉伸载荷。

4、按权利要求3所述的方法，其特征是施加到纤维（OF）上的第一弯曲力使它在切痕（N）附近承受第一方向上的第一弯曲载荷，该弯曲载荷逐渐减小直到切痕（N）到达该中间位置（C），然后施加到纤维（OF）上的第二弯曲力使它承受第二弯曲载荷，以使纤维（OF）在切痕（N）附近朝第二方向弯曲，该第二弯曲载荷和拉伸载荷逐渐增大直到纤维（OF）在最接近断裂位置（E）处在切痕（N）点截断。

5、按权利要求1所述的方法，其特征包括选定该夹紧力和拉力的相互幅值，从而使断裂的扩展速度不超过声速的1/3左右。

6、按权利要求1到5的方法所使用的纤维夹紧装置，其特征是该夹紧装置包括：

第一和第二刚性材料块（6、6′;26、34）;

支持块（6、6′;26、34）的机构（2、4），可在开启的接纳纤维位置和闭合的纤维夹紧位置之间作相对靠近和离开的运动，块（6、6′;26、34）的相对表面（11、11′、32、42）是相互面对;

在每个支持块（6、6′;26、34）上的带（8、8′;30、40）形成相对的表面，这些带（8、8′;30、40）在相同方向延伸;和

带（8、8′;30、40）的相对表面（11、11′、32、42）有方向相反的弧形表面，以便在这些块处于该夹紧位置时将光导纤维夹住在带之间，并在带（8、8′;30、40）之间牵拉滑动，使光导纤维（OF）向第一和第二相反的方向弯曲。

7、一种截断光导纤维（OF）的装置，该装置包括互相配合的第一和第二纤维夹紧块（6、6′;26、34），以夹住纤维，每个块都有带（8、8′;30、40）粘贴其上的表面（10、10′;28、36），这些块（6、6′;26、34）能作相互靠近和离开的移动，这些带（8、8′;30、40）相互面对并沿相同方向延伸，其特征是：

纤维夹紧块包括由这些带（8、8′;30、40）所组成和空间上纵向分布的机构，以便在施加压力和拉力期间，将该纤维（OF）局部地向第一方向和第二相反方向弯曲。

8、按权利要求7的装置，其特征是这些带（8、8′;30、40）呈波形，各弹性带（8、8′;30、40）都有一对朝向相反连续分布的弧形表面，以便与另一条带互相配合为互补的弧形表面，对在它们之间的纤维（OF）加压。

9、按权利要求8的装置，其特征是这些带（8、8′、30、40）在它们纵向中心的一侧是向上和在第一方向弯曲，在该纵向中心的另一侧是向下和与该第一方向相反的第二方向弯曲。

10、按权利要求7至9项的装置，其特征是一条带（30）有连续的弧形表面（32），它向另一条带（40）的方向弯曲成弓形，而另一条带（40）有斜切的表面部分（44），它斜向延伸离开带（30），因此这些带（30、40）在邻近它们的前端有延伸方向互相偏离的相对表面，该另一条带（40）的斜切表面部分（44）以光径（R2）弯向该连续的弧形表面（32）并与该另一条带（40）的直的部分（42）相连接。

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