CN1329758C - 减小光纤中拼接损耗的系统和方法 - Google Patents

Abstract

描述用于减小光传输线中拼接损耗的系统和方法。该系统包括：光纤导向器，用于夹持第一光纤和第二光纤到互相拼接的拼接点位置。热源给拼接点提供足够的热量，使第一光纤与第二光纤在拼接点互相熔融，并在拼接完成之后加热量到拼接点。该系统还包括：张紧装置，在第一光纤与第二光纤互相拼接之后，加受控的非零张力到这两个光纤。

Description

减小光纤中拼接损耗的系统和方法

技术领域

本发明一般涉及光纤光学领域，具体涉及减小光纤中拼接损耗的系统和方法。

背景技术

光纤是设计成以高带宽长距离传送光信号的玻璃细线。通常，光纤是圆柱形的对称结构，包含内部的“纤芯”区和外部的“包层”区。这些区域中的一个或两个区掺以各种化学物质以改变玻璃的性质。现代的高性能光纤可以包含几个不同的环形区，每个环形区掺以不同浓度的各种化学物质。

光纤熔融拼接(splice)对于获得光纤之间高质量连接是很重要的。在本文中，质量包括：低损耗，高强度，和超长期可靠性。光纤熔融拼接不同于简单的机械拼接，在熔融拼接中，两个光纤末端互相熔化并形成熔融连接。已开发出许多用于熔融拼接的许多不同热源，包括：化学火焰，高强度激光束，电弧，和电阻灯丝加热器。利用这些技术的光纤熔融拼接设备中很多已经商品化。这些商品化装置在常规的单模光纤(SMF)拼接中容易实现极低的损耗，＜0.02dB，和高强度，＞100kpsi的验收试验。然而，实现高质量光纤熔融拼接所需的处理条件与光纤的设计有关。

当前的光纤网络和研制中的光纤网络通常要求使用特殊的光纤，称之为“色散管理(dispersion-managed)光纤”，这种光纤包含许多不同的环形层，且恰当地部署在光纤网络中以控制光信号的色散。这种色散管理光纤的例子包括：色散补偿光纤(DCF)和反色散光纤(IDF)。高性能光纤网络要求色散管理光纤之间有大量的拼接。例如，在某些应用中，在相对长的距离(～1000km)上交替地接入相对短的(～30km)色散管理光纤是有利的。这些应用中所需的大量拼接对光纤熔融拼接质量有严格的要求。

最近的经验表明，在某些高性能色散管理光纤之间实现低损耗的熔融拼接是极其困难的。例如，在标准SMF中拼接损耗小于0.02dB的熔融拼接处理条件下，在DCF或IDF互相连接或连接到SMF时产生的拼接损耗大于0.5dB。这些高拼接损耗限制了这种色散管理光纤的应用，并限制设计光纤网络的可能性，因为网络的性能随色散管理光纤拼接数目的增加而下降。

因此，需要提供这样的系统和方法，可以减小这些类型光纤或其他类型光纤的拼接损耗。

发明内容

本发明的特征是提供用于减小光传输线中拼接损耗的系统和方法，按照本发明一个特征的系统包括：光纤导向器，用于夹持第一光纤和第二光纤到位以在拼接点拼接；张紧装置，在第一光纤与第二光纤拼接在一起之后，加受控的非零张力到这两个光纤，热源，用于在拼接点附近向第一和第二光纤施加拼接后热处理，使得施加的张力在拼接点的附近中在第一和第二光纤中产生新的粘弹性应变状态，该新的粘弹性应变状态使得过渡拼接损耗降低，所述张紧装置维持张力直到光纤已经冷却后，以使得新的粘弹性应变状态冻结到第一和第二光纤中，从而维持过渡拼接损耗的降低。

根据本发明的方法包括：(a)利用熔融接合器使第一光纤与第二光纤之间形成拼接；(b)在该拼接两端加受控制的非零张力；(c)在继续给该拼接两端加受控制的非零张力的同时，将拼接附近中的第一和第二光纤的部分加热到这样的温度：该温度足够高以通过在第一和第二光纤的受热部分的粘弹性应变状态中的张力引入的变化使得拼接损耗降低，并且足够低以最小化第一和第二光纤的塑性形变；(d)去掉热源，同时继续给该拼接两端加受控制的非零张力；(e)使光纤冷却，使得新的粘弹性应变状态被冻结到拼接附近中的第一和第二光纤中，从而维持拼接损耗的降低；以及(f)释放张力。

参照以下的详细描述并结合附图，本发明的其他特征和优点是显而易见的。

附图说明

图1至图3表示有各种类型拼接损耗的拼接光纤传输线路图。

图4表示热致包层中折射率变化作为拉伸张力函数的曲线图。

图5表示按照本发明一个特征的实验结果曲线图，说明利用所加张力以减小拼接损耗的有效性。

图6表示按照本发明一个特征用于减小拼接损耗的系统图。

图7表示适用于图6所示系统的张紧装置图。

图8表示按照本发明一个特征用于减小拼接损耗的方法流程图。

具体实施方式

本发明的特征是提供用于减小光传输线中拼接损耗的系统和方法。如上所述，高熔融拼接损耗发生在某些新设计的光纤中，包括：DCF和IDF。然而，重要的是我们注意到，这些高熔融拼接损耗不是源于简单的未对准或拼接点附近的一些其他几何畸变。

图1表示包含第一光纤12和第二光纤14的光传输线10，这两个光纤在拼接点16处互相拼接。每个光纤12和14有各自的纤芯18和20，并有代表各自模场的一系列高斯曲线22和24。如图1所示，拼接损耗可能是源于纤芯18和20以及模场22和24的未对准。然而，即使在两个光纤末端之间完全对准以及拼接点附近没有明显的任何波导机械畸变情况下，可以产生很高的拼接损耗。

假设几何畸变是可忽略的，则其他类型的损耗导致光纤熔融拼接的损耗。第一类损耗称之为“过渡(transition)损耗”，它是光信号传输通过热影响光纤区时经受的损耗。图2表示具有过渡损耗的光纤传输线30。同样，传输线30包含在拼接点16处互相拼接的第一光纤32和第二光纤34。每个光纤32和34有各自的纤芯38和40以及模场42和44。在这个例子中，如图2所示，纤芯38和40以及模场42和44是互相对准的。然而，每个光纤32和34包含剖面线表示的区域46和48，该区域受到两个光纤拼接时加热的影响。如图2所示，在每个热影响区域46和48中，各自的纤芯区38和40是呈锥形的，这可能是掺杂剂扩散造成的。

另一类拼接损耗称之为“交叠损耗”，它是发生在拼接点处的损耗。图3表示具有交叠损耗的光纤传输线50。同样，传输线50包含在拼接点56处互相拼接的第一光纤52和第二光纤54，每个光纤52和54有各自的纤芯区58和60以及模场62和64。如图3所示，第一光纤52的纤芯区58远远大于第二光纤54的纤芯区60。因此，交叠损耗是纤芯直径不同造成的。

若第一光纤和第二光纤的纤芯是完全对准的，且若来自拼接处理的热量对光纤的末端没有任何影响，则拼接损耗的唯一来源是图3所示的交叠损耗。若第一光纤和第二光纤的纤芯是完全对准的，且若第一光纤和第二光纤是完全相同的光纤，则没有交叠损耗和光纤几何畸变造成的拼接损耗，拼接损耗只可能源于光纤内的过渡损耗。色散管理光纤在没有任何可检测几何畸变的情况下有很大的拼接损耗，即使是这种光纤之间的互相拼接，这说明过渡损耗是拼接损耗的主要来源。它表明拼接过程中的热量改变了光纤的末端，从而形成过渡损耗。

拼接点附近的色散管理光纤测量结果说明，即使加热的温度没有达到拼接所需的温度，包层的折射率发生了重大的变化。我们观察到，在给定的加热温度下，光纤包层中折射率的变化量是光纤所受拉伸张力的函数。图4是测得的包层中折射率变化的曲线图80。在以下的表中列出这个测得的数据：

拉伸张力                测得受热之后包层中折射率变化

48                     0.00022

68                     0.00029

153                    0.00064

167                    0.00069

177                    0.00085

200                    0.00090

220                    0.00100

293                    0.00140

我们认为，拼接诱发光纤包层中折射率分布的变化是由于光纤拉制过程中光纤中冻结粘弹性应变的消失。在光纤拉制过程中，光纤的最高粘滞度(viscosity)区，通常是纯二氧化硅的包层区，承受大部分的拉伸张力，且发生弹性(瞬时形变)和粘弹性(随时间变化的形变)的伸展。这种伸展不是体积守恒的：伸展光纤的密度略微低于非伸展光纤的密度。光纤在拉伸张力下冷却，然后再去掉拉伸张力。光纤拉伸应变的弹性分量在张力释放之后就消失，而粘弹性分量不是这样：它冻结在光纤的最高粘滞度区。冻结的粘弹性拉伸应变使光纤的高粘滞度区具有略微低的密度，因此，该区域的光纤展示减小的折射率。加热光纤到它的应变点附近或高于应变点(发生在熔融拼接点附近)的温度，使这些拉伸诱发应变消失，因此包层中的折射率就增大。熔融二氧化硅的应变点约为1,000℃。

光纤拼接的计算机模型预言，测得的包层中折射率变化可以导致很大的拼接损耗和波长有关拼接损耗。波长有关拼接损耗是指拼接损耗随波长而变化。这种波长有关拼接损耗对于光纤网络是特别棘手的，因为它对每个光信道(波长)有不同的影响。的确，实验和工业经验证明，IDF与DCF的拼接通常具有高损耗和显著的波长有关损耗。

我们已经证明，某些类型的后拼接热处理可以大大减小过渡和交叠拼接损耗，但是，这些热处理也可以大大降低拼接强度和拼接长期的可靠性。我们断言，这些技术使掺杂剂在光纤中的扩散造成绝热模场变化。此外，这些热处理通常要求相对长的处理时间。这些热处理可能还要求在生产或场地环境下使用危险的热源(即，火焰或激光)。

现有技术中描述的另一个方法要求在拼接点附近伸展光纤。然而，实施这种技术在实际上是非常困难的，还没有证明这种技术对IDF或DCF是否有效，它的主要目的是减小交叠拼接损耗而不是减小过渡拼接损耗。这种技术的变型要求在拼接点附近压缩光纤，或拼接点“变肥”。同样，实施这种技术在实际上是非常困难的，还没有证明这种技术对IDF或DCF拼接是否有效，它的主要目的是减小交叠拼接损耗而不是减小过渡拼接损耗。

本发明的特征是提供一种后拼接方法，它可以大大减小高性能色散管理光纤中的拼接损耗和拼接损耗与波长的依赖关系。这是利用商品化拼接设备容易实施的快速方法。本发明没有很大改变拼接强度和拼接长期的可靠性，而同时大大减小发生在光纤拼接点附近的过渡损耗。

按照本发明一个特征的方法是在从第一光纤与第二光纤之间完成熔融拼接之后开始的。然后，加张力到完成的拼接。在光纤受张力的同时，沿光纤扫描热源。或者，可以采用较宽的稳定热源。在此过程中可以调制张力和热量。在去掉热源和光纤冷却之后，释放光纤所受的张力。在此过程中必须保持光纤的温度足够低以抑制塑性形变。利用合适的张力和加热条件，可以大大减小或甚至消除拼接损耗和波长有关拼接损耗。

现在描述本发明的一个具体例子。按照标准的熔融拼接过程，可以把两个反色散光纤(IDF)的光纤末端剥去外皮，清洗和切割。利用具有以下拼接参数的Vytran FFS-2000灯丝熔融接合器拼接光纤：

拼接功率17W

热推距离13微米

热推延迟350ms

热推速度700步/秒

拼接时间2.5秒

预推5微米

氩气流速0.65升/分钟

预间隙8微米

不使用火抛光

光纤夹持块裂开张力设置为约200克力。一旦完成拼接，释放光纤夹钳，并用手动方式把两个光纤夹持块紧压在一起(不移动光纤)，以及再次使光纤夹钳闭合到光纤上。这种方式使光纤受到约200克的张力。利用宏指令，现在让灯丝在整个热影响拼接区上扫描，灯丝的扫描速度约为320微米/秒，其功率约为12瓦，氩气的流速约为0.65升/分钟。

图5表示利用以上列出的处理条件得到的一对实验结果曲线100和150，用于说明本发明的有效性。为了便于说明，图5中的曲线100和150说明相同光纤拼按时发生的折射率变化和拼接损耗。因为这两个拼接光纤是完全相同的，就没有交叠损耗；又因为光纤不具有任何可检测的波导畸变，唯一的损耗就是过渡损耗。

大的曲线图100表示拼接点附近的折射率与径向位置的关系。如图5所示，由于拼接在一起的特定光纤，在曲线图100中，折射率变化主要发生在对应于光纤包层区曲线的区域102。底部轨迹104说明拼接之前的原始光纤折射率。顶部轨迹106说明在后拼接处理之前的拼接光纤折射率。紧靠顶部轨迹106以下的第二条轨迹108说明在不加张力条件下加热拼接光纤时的拼接光纤折射率。第二条轨迹108与原始轨迹104之间的第三条轨迹110说明按照本发明在拼接光纤上加了后拼接热量和张力之后的光纤折射率。

内插曲线图150表示分贝为单位的拼接损耗与信号波长的关系。顶部轨迹152(虚线)说明后拼接处理之前的拼接损耗。第二条轨迹154(点线)说明在不加张力条件下加热拼接光纤时的拼接损耗。底部轨迹156(实线)说明按照本发明在拼接光纤上加后拼接热量和张力之后的拼接损耗。

图5清楚地说明，没有任何后拼接处理的拼接光纤折射率，即，轨迹106，与原始的光纤折射率分布，即，轨迹104，这两条轨迹显著不同。没有张力但接受热处理的拼接折射率分布有轻微的变化，即，轨迹108，它们接近于原始光纤的原始折射率分布，即，轨迹104，这可能是观察到拼接损耗优点的部分原因。利用加热和加张力处理的拼接折射率分布是轨迹110，它非常接近于原始折射率分布，即，轨迹104，因此，大大减小了拼接损耗及其与波长的关系。

应当注意，张力的效应是可逆的。因此，在曲线图100中，通过加热量和加张力，第二条轨迹108可以改变成第三条轨迹110，而在没有张力的条件下通过加热，可以使第三条轨迹110返回到第二条轨迹。在第二条轨迹154(点线)与第三条轨迹(实线)之间的曲线图150中可以观察到类似的变化。

图6表示按照本发明一个特征用于减小拼接损耗的系统200。在图6中，系统200用于将第一光纤202和第二光纤204在拼接点206互相拼接。系统200包括：多个光纤导向辊208，用于夹持第一光纤202和第二光纤204到拼接点位置。

如上所述，拼接操作是利用热源210加足够的热量到拼接点206完成的，使第一光纤202和第二光纤204的末端互相熔合。此外，为了使拼接点206两端有平滑的过渡，热量可以加到拼接点206的两侧。例如，这可以利用适当宽的热源210实现。或者，如图6所示，热源210可以安装到平移台212上，使热源210沿着拼接点206附近第一光纤202和第二光纤204的长度方向扫描。此外，该系统可以包括：合适机构214，用于调整加到第一光纤202和第二光纤204上的热量强度。该系统还包括：测试仪216，用于监测拼接点206上的拼接损耗。

系统200还包括：机构218，在第一光纤202和第二光纤204互相拼接之后，用于加张力到这两个光纤。该机构包括：多个导向辊220，每个导向辊220有足够大的半径以避免损伤光纤。利用活塞装置222使张力加到光纤上。然而，在不偏离本发明精神的条件下，也可以利用其他的技术施加张力。

按照本发明的另一个特征，利用微处理器控制器224控制系统200中各个部件，包括：热源210的强度和位置，以及加到第一光纤202和第二光纤204上的张力。控制器224还通过提供反馈的测试仪216监测拼接损耗。

图7A和7B表示图6所示张紧机构218的操作图。在图7A中，光纤204在不受张力下通过导向辊220a-220c。在图7B中，启动活塞机构222，使中间导向辊220b紧压光纤204，从而引入受控的非零张力到拼接光纤202和204。如上所述，按照本发明的另一个特征，张紧机构在拼接过程中可以调整或调制光纤的张力。

张紧装置218可以作为图6所示包含其他部件的单个装置中的一部分。或者，张紧装置218可以是分开的单元，它与其他部件相结合进行操作。例如，在本发明精神范围内，可以构造与标准熔融接合器相结合的张紧机构218。在此情况下，张紧机构可以适当地包括：固定装置，用于固定张紧装置218到熔融接合器。

图8表示按照本发明方法300的流程图。在步骤302，第一光纤与第二光纤在拼接点互相熔融拼接。在步骤304，两个光纤互相拼接之后，加热拼接点附近的传输线区域到这样的温度，该温度足够高以减小传输损耗，但该温度又足够低以减小光纤的塑性形变。在步骤306，加张力到该拼接，使传输损耗进一步减小。如果需要，可以调整加热量和/或加张力量以调整拼接损耗的大小。在步骤308，在拼接点处去掉热源，在保持张力的同时使拼接光纤冷却。最后，在步骤310，去掉光纤上所受的张力。

虽然，以上的描述包括可以使本领域专业人员实现本发明的细节，应当承认，这种描述是说明性的，理解这些内容的专业人员可以作出许多改动和变化。因此，此处描述的本发明仅仅受所附权利要求书的限制，权利要求书可以解释成超出现有技术的范围。

Claims (10)

1.一种用于减小光传输线中过渡拼接损耗的系统，包括：

光纤导向器，用于夹持第一光纤和第二光纤到位以在拼接点拼接；

张紧装置，在第一光纤与第二光纤拼接在一起之后，加受控的非零张力到这两个光纤，

热源，用于在拼接点附近向第一和第二光纤施加拼接后热处理，使得施加的张力在拼接点的附近中在第一和第二光纤中产生新的粘弹性应变状态，该新的粘弹性应变状态使得过渡拼接损耗降低，

所述张紧装置维持张力直到光纤已经冷却后，以使得新的粘弹性应变状态冻结到第一和第二光纤中，从而维持过渡拼接损耗的降低。

2.按照权利要求1的系统，其中热源可以沿拼接点附近的第一光纤和第二光纤进行扫描。

3.按照权利要求1的系统，其中热源在拼接后热处理期间是可调整的。

4.按照权利要求1的系统，其中张紧装置所加的张力在拼接后热处理期间是可调整的。

5.按照权利要求1的系统，其中张紧装置包括：

一组导向辊，用于接受一部分拼接的光纤；和

活塞装置，用于使导向辊紧压拼接的光纤的该部分，在拼接光纤中产生受控的非零张力。

6.一种用于减小光纤中过渡拼接损耗的方法，包括：

(a)利用熔融接合器使第一光纤与第二光纤之间形成拼接；

(b)在该拼接两端加受控制的非零张力；

(c)在继续给该拼接两端加受控制的非零张力的同时，将拼接附近中的第一和第二光纤的部分加热到这样的温度：该温度足够高以使得施加的张力在拼接点的附近中在第一和第二光纤中产生新的粘弹性应变状态，该新的粘弹性应变状态使得过渡拼接损耗降低，并且该温度足够低以最小化第一和第二光纤的塑性形变；

(d)去掉热源，同时继续给该拼接两端加受控制的非零张力；

(e)使光纤冷却，使得新的粘弹性应变状态被冻结到拼接附近中的第一和第二光纤中，从而维持拼接损耗的降低；以及

(f)释放张力。

7.按照权利要求6的方法，其中步骤(c)包括：使热源沿拼接附近的第一和第二光纤进行扫描。

8.按照权利要求6的方法，其中步骤(c)包括：给拼接区中的光纤提供稳定的热源。

9.按照权利要求6的方法，其中步骤(b)包括：调制张力的大小。

10.按照权利要求6的方法，其中步骤(c)包括：调制加到该拼接的热量。

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