CN1289423C - 光纤拉制过程中获得旋转与机械扭曲数据用的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于确定与制造过程中引入光纤上的旋转力结果有关的信息的系统和方法。施加称作旋转的熔融光纤的旋转形变，使在光纤冷却时永久保留。旋转力还在经过冷却的光纤上引入扭曲，是光纤的一种非永久机械旋转。该系统和方法使用一直径测量装置，其产生与光纤关于时间的直径相应的信号。由于实际上光纤为稍微椭圆形，故检测直径测量结果的周期性改变，反映施加到光纤中的旋转。进一步处理该信号，以提供与引入光纤中的旋转效果有关的数据，即光纤中存在的扭曲与旋转。

Description

光纤拉制过程中获得旋转 与机械扭曲数据用的系统和方法

发明背景

本发明涉及获得用于光纤的旋转与机械扭曲数据的系统和方法。具体来说，本发明的系统和方法测量施加到熔融光纤中的旋转速度，以及从预制棒拉制光纤时引至冷却光纤上的机械旋转速度。

众所周知，通信系统中普遍使用的所谓“单模光纤”，其横截面几何形状不完全对称。相反，典型光纤的横截面为轻微椭圆形，部分可归因于制造过程中存在的多种因素。这种缺陷使光纤传送的信号质量降低，尤其是在高传输速度时。一种类型的降质称作偏振模色散(PMD)。PMD涉及通过光纤传播的光线的两个正交模。由于非圆形形状以及其他缺陷和内应力，这两个模可能以不同的传播常数进行传播。传播常数之间的差异成为双折射。

已经进行了多种努力来减小PMD，包括在制造过程中施加旋转到光纤中。减小PMD的一种现有技术的方法包括在光纤拉制过程中旋转预制棒。参见例如Barlow等人的Applied Optics(应用光学)，20：2962-2968，1981；Payne等人的IEEE Journal ofQuantum Electronics，QE-18：477-487，1982；Rashleigh的“Fabrication of Circularly Birefringent Single Mode Fibers”，Navy Technical Disclosure Bulletin 5：7-12，1980；和PCT专利公开No.WO83/00232。旋转能使光纤的内部几何形状和/或应力不对称性围绕光纤轴旋转。通过在拉制过程中，即当预制棒的根部基本熔化时进行旋转，实质上对光纤非对称性进行纯粹的旋转，与光纤拉制之后如果光纤发生扭曲产生的非对称性旋转和引入旋转应力的组合不同。为了讨论利用扭曲减小PMD，例如可参见Schuh等人的ElectronicsLetters，31：1172-1173，1995；和Ulrich等人的Applied Optics，18：2241-2251，1979。

不过，旋转熔融预制棒存在操作上的困难。给定所需拉制速度，必须以高旋转速度旋转半固态/半熔融预制棒(几千r.p.m.)。曾经开发出一些供选择方案，在拉制时依靠操纵光纤，并且保持预制棒固定不动。可通过改变从预制棒拉光纤时缠绕辊的角度，将旋转施加到光纤中。参见例如美国专利5,298,047。无论使用哪种方法，均将旋转施加到光纤中，并且所施加的旋转量会影响PMD降低的程度。当将旋转“施加”到光纤上时，热区域中的光纤材料发生扭转形变，导致当光纤从其熔融状态冷却时该形变被“冻结”到光纤中。一旦冷却，光纤就表现出永久的“旋转”，即永久扭转形变。实际引入熔融光纤中的旋转量并不总与试图引入的量相同。有多种因素影响施加到光纤中的旋转传递。例如，光纤有可能在辊子上“滑动”，施加扭曲，并且熔融光纤与旋转设备之间的光纤段长度影响冷却程度，继而影响实际施加的旋转量。因此，与试图引入的旋转相比，实际引入的旋转量小于100％，并且不总能在任何给定时刻及时进行预测。

从而，在生产过程中用来在任何时刻及时测量施加的实际旋转量的机制是有利的，以验证适当大小的旋转被引入光纤中。可以很容易地确定存在所施加的旋转，例如通过微观检查光纤中的气泡，以确定芯椭圆度或偏心度的旋转，或者通过移动磁光调制器，如M.J.Marrone等人在Optics Letters，Vol.12(1)，p.60中所使用的。不过，微观检查光纤中的气泡或者类似技术需要破坏光纤，是不合乎需要的。这种分析实时提供监控旋转形成的机会很小，并影响现场制造。另外，除了具有破坏性以外，微观检查耗费时间和精力。而且，这种检查仅能确定取样点处的旋转——使用这种方法总沿光缆方向确定旋转是不切实际的，并且破坏光纤。

F.Cocchini，A.Mazzotti，A.Ricco和A.Rossi在On-line FiberSpinning Monitoring for Low PMD Optical Fibers，第49届国际电报电缆研讨会会议录，Atlantic City，N.J.Nov.13-16，2000中提出了一种实时监控旋转的机制。这种方案使用从预制棒拉制出光纤之后立即横向在线测量光纤所获得的光纤直径数据的实时傅里叶分析。该系统使用功率谱分析将信号与旋转速度联系起来。高输出频率的出现与高旋转速度有关。

不过，使用傅里叶变换分析比较复杂，并且需要大量计算处理，而且需要进一步分析，以便将结果与旋转速度联系起来。由于实时产生的大量数据，故实时分析该结果所需的处理能力很大。因而，虽然现有技术可以测量旋转速度，不过对于为制造过程中影响旋转装置的控制系统提供反馈的实时测量而言有可能不实用。从而，需要确定实时旋转速度的简单机制，要求更少处理能力，并且能实时确定旋转。

除了“旋转”以外，在制造过程中测量的与光纤有关的另一量度为“扭曲”。旋转与扭曲两个度量有关，可以互换地使用这些术语。不过，如此处所用，旋转指引入熔融光纤中的旋转，而“扭曲”指引到冷却光纤上的旋转。旋转施加到熔融光纤中，并且当光纤冷却时被永久固定。扭曲指光纤冷却之后施加在光纤上的机械转动力。扭曲在光纤上引入扭转应力，过量则导致微观断裂，并最终导致光纤物理性破裂。希望减小或消除引入光纤上的扭曲。减小光纤上扭曲的一种方法是通过展开和重绕光纤而“重新缠绕”光纤，不过也耗时并且劳动密集。最好避免或使制造过程中引入的扭曲最小，达到可接受的水平。在两种情形中，均需要在制造过程中测量光纤中扭曲程度的方法。因而，需要用于测量引入光纤上的扭曲的系统和方法。

发明概述

在本发明一个实施例中，公开了一种用于测量施加在光纤中的旋转的方法，其通过在由熔融预制棒拉制光纤时测量光纤直径，检测周期性最小与最大直径，处理直径测量结果与拉制速度，以确定施加到光纤中的旋转。

在本发明另一实施例中，公开了一种对施加到光纤中的旋转进行测量的系统，其包括一用于从熔融预制棒拉制光纤的设备，一测量光纤拉制时光纤直径的测量装置，一接收有关光纤拉制速度和直径测量结果的输入值，并确定光纤中的旋转速度的处理器。

在本发明又一实施例中，公开了一种确定光纤上扭曲的方法，其通过拉制光纤，监测所述光纤的拉制速度，测量光纤拉制时在第一点处的光纤直径，并检测周期性直径测量结果，以及处理所述周期性直径测量结果，和确定光纤上的扭曲。

在本发明再一实施例中，公开了一种测量沿光纤主轴方向的旋转的方法，其中牵引光纤以已知牵引速度通过一光纤直径测量装置，由该光纤直径测量装置获得光纤直径测量结果，确定该光纤直径的周期性改变，并且结合所述已知牵引速度处理测量结果的周期性改变，以测量沿光纤主轴方向的旋转。

附图简要说明

已经概括描述了本发明，现将参照附图进行描述，且附图不必依照比例绘制，其中：

图1描述现有技术一典型光纤拉制设备的实施例。

图2说明一典型椭圆光纤的横截面图。

图3说明根据本发明一个实施例，一种示例性光纤直径测量机理。

图3A说明根据本发明一个实施例的系统的功能。

图4说明根据本发明一个实施例，从光纤直径监测机构得出的示例性信号。

图5说明根据本发明一个实施例，由直径监测机构得出的以时间为函数的示例性直径测量结果。

图6说明根据本发明一个实施例，以时间为函数的示例性归一化直径测量结果。

图7说明根据本发明一个实施例，以时间为函数的示例性旋转图案测量结果。

本发明详细说明

下面将参照附图更充分地描述本发明，其中表示出本发明的一些但非全部实施例。当然，可以多种不同方式实施这些发明，不应该视作限于此处提出的实施例；相反，提供这些实施例，使本公开将满足可应用性正当要求。在附图中相同附图标记表示相同元件。

随着使用光纤以越来越快的传输速度传输信息，光纤质量变得更加关键。在低传输速度时为不重要因素的多种缺陷，可能会成为影响更高传输速度的重要因素。与光纤有关的一种这类缺陷为称为偏振模色散(PMD)的失真类型。众所周知，单模光纤实际上包含两个基模偏振态。这些状态彼此正交，并能以不同速度传播。理想情况下，每个模以相同速度传播，不过光纤中的缺陷可导致双折射，即两个偏振态之间的相对传播延迟。

降低PMD的一种众所周知的方法，是在形成光纤时旋转该光纤。图1说明根据现有技术用来制造光纤的典型设备。预先形成纯玻璃预制棒10，以为光纤提供材料。使用传统方法用热源15加热该预制棒。一旦将预制棒加热到其熔点，并拉制出光纤，就形成称作颈缩20的角区域。单根光纤25从半熔融态预制棒形成，并通过一直径测量装置30。将该光纤继续向下拉，使其通过一包层敷贴器40，涂覆一包层来保护该光纤。该光纤还通过一使该光学包层固化的装置43，以及一监控包层涂覆之后总直径的装置45。然后该光纤遇到一旋转装置60，将一旋转施加到光纤中。在先专利中已经描述了这类机构，可能包含辊子或缠绕轮191(参见例如美国专利5,298,047)。之后光纤遇到包括各个辊子192、193在内的一系列导辊65，最后到达牵引光纤的胶盘70。然后围绕线轴(未示出)缠绕该光纤。

旋转装置60将角运动θ₁55施加给该光纤。不过，该旋转装置60处于距离颈缩区域20一定距离处，从而经过涂覆包层的时间光纤已经稍微冷却，并且一旦光纤与该旋转装置接触则进一步冷却。从而，当旋转装置在下端施加角运动θ₁55时，则将不同的角运动θ₂28施加到颈缩区域20附近，且值θ₁＞θ₂。这部分是由于：

1.颈缩区域与旋转装置之间的长段光纤；

2.包层的粘滞拖曳特性；

3.颈缩区域本身的粘滞拖曳特性；

4.光纤在旋转装置中的滑动；

5.沿光纤长度方向光纤的温差。

从而，由旋转装置将旋转施加到熔融光纤中的效率小于100％。由于施加到熔融光纤中的旋转量与试图施加的量不同，故希望实时测量旋转θ₂28。如果各个点处的角度θ₂28实时可知，并且拉制速度已知，则可计算出测量之间光纤的距离，并得出每米旋转速度。

旋转的测量基于光纤并非完全圆形这一事实。如图2所示，实际上为轻微椭圆形。图2相对彼此正交的X轴120和Y轴110描绘出一椭圆150。可将椭圆150描述成具有彼此正交的一长轴a 130和一短轴b 140。在任何给定时刻，可以将该椭圆描述成具有一在长轴a 130与X轴120之间测得的旋转角θ160。侧视直径D 170为θ的函数，并且在所示实施例中，当θ等于0°或180°时存在最大侧视直径。相反，当θ等于90°或270°时存在最小侧视直径。有多种数学方法计算侧视直径。下面表示出一个公式：

其中d₀为平均直径，d_i为谐波振幅，θ为相对方位位置，φ_i为相对相位(旋转)。对于椭圆形光纤，二阶模谐波(i＝2)为优势模式(the dominated one)。从而，直径测量呈现出正弦曲线特性。

根据本发明一个实施例，由直径监测装置(也称为直径测量装置)30测量光纤直径。可使用多种方法测量光纤直径，并且可使用多种直径测量装置说明本发明。图3中表示出一个例子。本发明该实施例的直径测量装置监测通过光纤传播的光束的条纹图案，而条纹图案受该光纤横截面的影响。具体而言，在本实施例中，直径测量装置引导激光束310通过光纤320的横截面。根据众所周知的物理性质，光纤将使光线弯曲，并且在穿过光纤之后产生条纹图案。然后光线330照射到行扫描二极管340上，产生与所形成的由光纤厚度决定的条纹图案350相关的电信号。根据表示光纤横截面位置的角度θ360，对行扫描二极管发出的信号进行调制。直径监测器将根据角度θ360检测直径变化。表1表示与θ相应的直径变化。

表1

θ的角度	光纤的直径测量
		0	在最大值处；直径值减小
90	在最小值处；直径值增大
		180	在最大值处；直径值减小
270	在最小值处；直径值增大

理想情况下，直径测量结果将呈现出正弦特性，随光纤旋转而周期性地增大和减小。实际上，测得的光纤直径受除旋转速度以外多种因素的影响，包括热源的温度和预制棒上的潜在温度变化，光纤拉制速度，微细空气泡的存在，以及光纤中的横向机械振动。

图3A说明根据实施图3所示直径测量系统的本发明其测量系统的功能。具体来说，直径测量装置386接收来自行扫描二极管的输入信号385。直径测量装置386产生输出387，表示以时间为函数的直径测量信号。由高/低通滤波器388对这些信号进行滤波，产生经过滤波的以时间为函数的直径测量结果389。这些数据由处理器390接收，其根据本发明原理处理数据，产生旋转与扭曲数据392。

图4所示为代表来自直径测量装置386的以时间为函数的测量信号387的数据结果。由于假设拉制速度不变，故时间函数正比于光纤长度。由于在光纤拉制时有多种条件影响光纤，所以光纤沿其长度方向表现出具有较大平均直径的区域400和较小平均直径区域410，甚至在任何旋转不存在时。这是由于拉制过程中沿其纵轴方向光纤直径变化，而且部分是由于微小气泡，预制棒中的局部热变化，振动，等等。图4说明沿光纤长度方向平均光纤直径的这些固有变化，表明存在非常低频率的信号。除了前面确定的影响直径测量的因素以外，电路中固有的多种电噪声源也影响该信号。

图5说明光纤直径测量结果，不过具有扩展的时间刻度。随着光纤被拉制并同时旋转，测得直径的分布周期性地呈现出最大与最小值。如图5表明，沿光纤长轴130(如图2所示)方向的直径表现出大约124.82-124.87μm的周期峰500。另外，如图5表明，根据周期谷510，沿短轴140方向的直径为大约为124.64-124.67μm。可估计出平均直径520为大约124.75μm。

图5说明存在导致“锯齿状”波形的较高频信号。上述因素引起直径读数改变，并反过来影响旋转速度的确定。从而，必须使用标准滤波技术对图3A的测量直径信号387进行滤波，以去除寄生噪声信号。该信号经过高通滤波器388，以去除代表寄生噪声信号的高频成分。另外，该信号还经过低通滤波器388，以去除与沿光纤长度方向光纤平均直径的固有改变相应的某些低频信号。低通滤波器产生恒定平均直径信号，而不滤除与旋转引入的直径改变相应信号的频率成分。与旋转导致的直径改变有关的信号频率，为比与平均直径改变有关的直径改变更高的频率。在滤波之后，图6中表示出所产生的信号389。图6还表示归一化振幅(即已经滤除掉直流成分)，从而平均直径为零。

可以通过多种方法计算给定时间周期内转数，不过是建立在普通原理基础上。即，椭圆光纤一次旋转需要旋转360°角θ。可通过检测作为起始点的最大直径，并检测下一最大直径(相当于旋转180°)，然后检测下下个最大直径(相当于旋转360°)进行确定。或者，使用可被检测的最小直径或者可监测平均直径，并且每四个平均直径读数将表示一次旋转。

参见图6，正值600表示在平均直径之上，表示沿长轴方向或部分沿长轴方向的测量结果，而负值610表示沿短轴或部分沿短轴方向的测量。值的相对增大/减小表示关于长轴和短轴的相对旋转。如上所述，可用多种方法计算给定时间周期内的转数，不过使用归一化数值。在所示实施例中，通过计算在给定时间周期内零交点数，并除以4，确定转数。

一旦确定出转数，通过计算进行测量的光纤长度可很容易确定旋转速度(每单位长度的转数)。由于拉制速度已知，故旋转速度为：

转数/米＝转数/(拉制速度*时间间隔)

图7说明用于光纤的典型旋转图案，绘制出以时间为函数的旋转速度(转数/米)。

如上所述，计算旋转速度包含可使用通用微处理器相当快速执行的基本算术操作，不需要复杂的、处理器密集的快速傅里叶变换计算。由于计算旋转所需的计算处理能力比较适度，故可实时计算旋转速度，能实时调节并监测旋转设备50，以获得所需旋转速度。另外，通过监测由缠绕卷筒60的旋转速度决定的缠绕速度，可知直线拉制速度。能很容易地计算对一段光纤起作用的实时旋转速度。

还可以利用上述系统得出施加到光纤中的扭曲。可以通过多种方法将扭曲引入光纤中。参见图1，如果将旋转引入颈缩区域20与旋转装置60之间的光纤25上，就有旋转引入旋转装置60与缠绕辊192之间。很可能将扭曲引到光纤上，在光纤通过铰盘70之后该扭曲保留下来。不过，现有技术教导，旋转装置60引入的旋转方向改变(参见，例如Hart的专利No.5,298,047)。从而，对于第一时间周期而言，旋转可以为顺时针方向，然后在第二时间周期为逆时针方向。如果在一个时间周期内引入的转数被相反方向的转数抵消，那么所引入的净转数为零，将使引入缠绕过程的所有扭曲最小。

图7中的旋转数据说明以时间为函数的旋转速度。谷值700代表改变光纤旋转方向的情形。理论上，方向反转相当于光纤中旋转为零的点。给定可发生旋转改变的速度，以及对实施例分辨率的限制，图7中的数据说明相当于近似零旋转的周期性谷值700。例如，T₁期间的峰值代表沿一个方向的旋转，在T₂期间发生沿另一方向的旋转。或者，数据可以与旋转方向相关，并且旋转速度反映出旋转方向，产生其中正值反映一个旋转方向，负值反映另一旋转方向的曲线。

回到图7，T₁710表示沿一个方向旋转的时间周期，T₂720表示沿另一方向旋转的时间周期。虽然分隔T₁与T₂的谷值700不完全为零，理论上，该点相应于导致零值的旋转方向改变。曲线“下面”的面积(即由曲线和X轴界定)代表波形的积分。例如，曲线的面积₁730代表T₁710期间波形的积分。该面积表示为：

由于对于T₁和T₂可以假设拉制速度不变，所以T₁和T₂上所拉制光纤的相应长度相同。因此，可根据转数/米与光纤长度(表示成米)之间的关系，重新绘制图7的曲线。这基本上为相同的曲线，不过X-轴代表光纤距离。T₁(或T₂)期间该曲线下的面积表示为：

面积＝(转数/米)*(米)

面积＝转数

如果T₁期间的转数与T₂期间的转数相同，但方向不同，那么该时间周期内的净转数为零。这导致对于该期间(与给定光纤长度相应的期间)光纤上的净扭曲为零。同样，如果净转数近似为零，则可将净扭曲保持在某一最大所需数值或以下。

由于该系统可以实时测量旋转和扭曲，故可利用对数据进行的计算结果来改变旋转速度、拉制速度或影响光纤中旋转或扭曲的任何其他变量。没有实时测量，就不可能实时控制制造。该系统能实时控制多种参数，以使光纤上的扭曲最小。

当然，本领域技术人员可以采用其他选择方案，如采用两个系统沿拉制过程在两个点测量旋转速度。第一系统可测量靠近熔融预制棒颈缩部分的旋转速度，第二系统可测量第二点处例如缠绕轮之后的旋转速度。通过比较沿相应点(即时间稍微不同的点)的旋转速度，并检测旋转速度中存在的任何净差别，该差别可能归因于制造过程中引入的扭曲。

当然，可采用其他变型说明本发明的原理。例如取代检测零交叉点，该系统可检测在给定时间周期上的最大与最小直径。或者，可以计算并使用旋转图案的微商，确定何时长轴(最大直径)或短轴(最小直径)旋转通过直径测量装置。同样，确定一时间周期中的长(或短)轴数，并除以4，产生每个时间周期的转数。因而应该理解，本发明不限于所公开的特定实施例，其变型和其他实施例以及用于确定旋转的算法都包含在所附权利要求范围之内。虽然此处采用了特定术语，不过仅在一般和描述意义上使用它们，不是为了进行限制。

Claims (10)

1.一种确定施加到光纤中的旋转的方法，其特征在于：

a)从加热的预制棒拉制光纤；

b)监测该光纤的拉制速度；

c)产生代表该光纤直径相对于时间的测量结果的信号；

d)由该信号检测直径测量结果中的周期性改变；以及

e)处理直径测量结果中的周期性改变和拉制速度，以确定施加到光纤中的旋转。

2.根据权利要求1所述的确定施加到光纤中的旋转的方法，其中所述检测周期性改变的步骤包括：检测直径测量结果中的周期性改变，其中直径测量结果中的周期性改变包括相对最大和最小直径值。

3.根据权利要求2所述的确定施加到光纤中的旋转的方法，其中检测第一最大直径值，检测第二相继最大直径值，检测第三相继最大直径值，并且旋转速度以检测该第一最大直径值到检测该第三最大直径值的时间周期为基础。

4.一种用于确定一段光纤的旋转的系统，其特征在于：

拉制设备，以已知拉制速度从加热的预制棒拉制光纤；

光纤直径测量装置，测量从所述加热预制棒拉制光纤时所述光纤的直径；

旋转设备，当光纤被拉制时将旋转施加到所述光纤上；

处理器，控制所述旋转设备的操作和拉制速度，所述处理器从所述光纤直径测量装置接收光纤直径测量结果，并确定所述光纤段的旋转。

5.如权利要求4所述的用于确定一段光纤的旋转的系统，其中该处理器部分基于从所述光纤直径测量装置接收的测量结果，操纵控制该旋转设备。

6.如权利要求4所述的用于确定一段光纤的旋转的系统，其中所述旋转设备在第一有限期间沿顺时针方向施加旋转，且在第二有限期间沿逆时针方向施加旋转。

7.如权利要求4所述的用于确定一段光纤的旋转的系统，其中所述处理器在由预制棒拉制光纤时，至少部分基于来自所述光纤直径测量设备的光纤测量结果来控制所述拉制设备的拉制速度。

8.一种确定沿一段光纤纵轴的旋转的方法，其特征在于：

a)以已知拉制速度控制光纤通过光纤直径测量装置；

b)向该光纤施加旋转力；

c)由该光纤直径测量装置产生代表所述光纤直径测量结果的信号；

d)确定代表该光纤直径测量结果的信号中的周期性改变；以及

e)结合已知拉制速度处理该信号，以确定沿一段光纤纵轴的旋转。

9.如权利要求8所述的确定沿一段光纤纵轴的旋转的方法，其中进一步处理该信号，以确定施加到所述光纤中的旋转。

10.如权利要求8所述的确定沿一段光纤纵轴的旋转的方法，其中进一步处理该信号，以确定所述光纤上的扭曲。

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