CN1720472A - 测定光纤的mfd - Google Patents

Abstract

当光纤(1，1’)由电极(3)之间产生的电子放电加热时，从光纤的纤芯和覆层发射出的热光辐射形成了一个可以由光学成像系统(9，15，17)观察到的热图像。因为纤芯中的搀杂剂浓度远远高于覆层中的搀杂剂浓度，从纤芯射出的光导致了热图像的光强度分布图中的波峰结构。当在例如加热光纤中搀杂剂从纤芯中扩散出时纤芯图像的波峰宽度显著增大。发现波峰宽度的增大与光纤的模场直径(MFD)的扩大高度相关。可以在精心规定的熔化条件下对任意给定类型的光纤用实验测定这种相关性并用来通过观察热图像中的波峰宽度而产生对MFD的测量。MFD的测定可用于提高光纤接合中的损失估计的质量。

Description

测定光纤的MFD

相关申请

本申请要求瑞典专利申请0203599-6号(2002年12月4日提出申请)的优先权和利益，在此引入它的完整教义作为参考。

技术领域

本发明涉及一种测定光纤的MFD以用在光纤熔化接合设备中的方法以及一种测定光纤的MFD的设备。

背景技术

已经开发并改进用于对齐和接合基于二氧化硅的光纤的设备和方法很多年了。众所周知纤芯/覆层偏心率、劈角、旋度、光纤末端污染和模场直径(mode field diameter-MFD)失配是光纤熔化接合中出现损失的主要原因。

通常，对光纤模场直径(MFD)的准确了解允许测定由光纤引导的光波的各种传播特征，例如光源和光纤之间的耦合效率、接合损失及色散等。对光纤的MFD的了解通常是由所谓的发射近场(TNF)方法获得的。在这种方法中，在光纤的一端射入光，并且由可移动检测器扫描光纤另一端的放大的图像，或者光纤末端移动而检测器是固定的。TNF方法的主要缺点是该方法是破坏性的，因为必须切断光纤以访问测量MFD的端表面。因此，该方法不适用于在动态过程中处理MFD测量，例如监控熔化接合期间MFD的变化。此外，需要昂贵的设备和高资质的操作员进行TNF测量，这些条件并不总是能够具备，尤其是在本领域中。

在大量其它参数中，MFD通常可以看作是光纤纤芯的直径的函数，就像例如瑞典专利502374和502290所公开的那样。如同这些专利中所公开的那样，捕获并分析受热光纤的图像以找到光纤纤芯直径的值。在公布的日本专利申请2000275469中公开了一种类似的方法。

发明内容

本发明的一个目标是提供一种方法和设备用于测量光纤的模场直径(MFD)以用在各种接合过程中。

本发明的另一个目标是提供一种非侵入式或非破坏式的方法和设备用于测量光纤的模场直径。

因而，通常非破坏性地测定MFD的一种被动方法是基于仔细分析光纤的热图像的光强度分布以提取MFD上的信息。该方法由实验结果支持。该方法可以用来例如提高对自动化熔化接合器的接合损失估计。

当用电弧或者更准确地说是辉光放电加热光纤时，产生所谓热图像的光成像系统可以观察到从光纤纤芯及覆层热辐射出的光。因为光纤纤芯中搀杂剂的浓度远高于覆层中搀杂剂的深度，从光纤纤芯射出的光产生了热图像的光强度分布中的波峰结构。当搀杂剂扩散出光纤纤芯时在纤芯图像中看到的纤芯的宽度显著增大。对给定的或所考虑的光波长来说该波峰宽度的增加与光纤的模场直径(MFD)的扩大高度相关。可以对任意给定类型的光纤在精心规定的熔化条件下用实验测定这种相关。由此，通过重新构造熔化条件，通过分析热图像就能够测定熔化过程中光纤的MFD对波长的动态变化。

因而，为了测定光纤的模场直径，通常可以使用一种标准的自动熔化接合器，包括：光纤支架、对该支架上所支撑的光纤的一部分进行加热的加热器；以及在光纤被支撑和加热时捕获光纤所述部分的图像的照像机。有一个图像处理装置连接到该相机以处理由该相机捕获的图像。

该图像处理装置被安排成测定捕获的图像中光纤纤芯图像的宽度，因此它包括一个宽度测定模块。这个模块包括：一个纵向强度分布测定部件，用于从热图像测定沿着对应于光纤纤芯的图像区域的纵向强度分布，该模块还包括：一个与纵向强度分布测定部件相连的加热中心测定部件，用于从纵向强度分布测定热图像的加热中心的位置。这里加热中心是受热区域的中心，例如在那里加热最强或者温度最高。例如，可以安排加热中心测定装置测定加热中心的位置为纵向强度分布具有最大值的点。此外，横向强度分布测定部件与加热中心测定部件相连以从热图像测定沿着穿过加热中心图像的一条线的横向强度分布，这条线实际上垂直于光纤的纵向。最后，有一个宽度测定部件与横向强度分布测定部件相连，用于从横向强度分布测定热图像中纤芯图像的宽度。

模场直径测定部件与图像处理装置相连以从测定出的光纤纤芯的宽度测定光纤的受热区域的模场直径。

有利的是，模场直径测定部件可以包括：曲线拟合部件，用于拟合测定的横向强度分布为一个函数，该函数是至少两个相似的有峰值的函数之和，还可以包括：曲线测定部件或最大比较部件与曲线拟合部件相连，用于采用该至少两个相似的函数中有最高的最大值的那个来代表光纤纤芯的图像，所述至少两个相似的函数有最佳拟合。然后，宽度测定部件被安排成从所述在该至少两个函数中采用的那一个函数里测定出光纤纤芯图像的宽度。该函数在优选情况下可以是至少两个高斯型函数之和，并且如果需要的话再加上一个常数。这种情况下宽度可被测定为该至少两个高斯型函数中所采用的那一个的标准偏差或半值宽度。

在第一种选择中，模场测定部件可以包括一个数据库，它包括一张使光纤纤芯的宽度和模场直径相关的表。在第二种选择中，模场测定部件可以转而包括一个计算部件，用来根据为光纤所属的光纤类型单独确定的算法从光纤纤芯的宽度值计算光纤的模场直径。

在下面的描述中将会阐明本发明的附加目标和优势，从描述中将部分明了它们，或者将从本发明的实践中学习到它们。通过在所附权利要求中特别指出的方法、过程、工具及组合可以实现并获得本发明的目标和优势。

附图说明

尽管在所附权利要求中特别阐述了本发明的新特性，但考虑下文中参考附图所作的对非限制性实施例的详细描述可以获得对本发明(既对组织也对内容)以及其中的上述和其它特性的完整理解并更好地理解本发明，在附图中：

-图1是以1550nm波长对两个正交方向测量的SMF28光纤的MFD的图表；

-图2是SMF28光纤的MFD为加热持续时间的函数的图表；

-图3a是SMF28光纤的热图像的照片，这些热图像是在两个彼此位于对方之上的正交方向上获得的，并且照片中绘出了纵向上的光强度分布图；

-图3b是与图3b类似的照片，其中绘出了横向上的光强度分布图；

-图4a是与图3a类似的照片；

-图4b是与图4a类似的在熔化电流为11mA的电子辉光放电中加热三分钟的SMF28光纤的照片；

-图5是从图4a和4b的照片获得的横向上的光强度分布图；

-图6是SMF28光纤纤芯宽为加热持续时间的函数的图表；

-图7是SMF28光纤的MFD是纤芯宽度的函数的图表；

-图8是示出了在测定光纤的MFD中执行的一般步骤的流程图；

-图9a是用于熔化-接合两条光纤到彼此并可用于加热单个光纤的设置的示意图；

-图9b是与图9a中类似的示意图，还示出了电子控制电路的一些部件。

具体实施方式

已知加热光纤会导致像锗这样的搀杂剂从光纤纤芯扩散到光纤的覆层中，这会增大光纤的MFD。MFD的增大率不仅取决于纤芯中的搀杂剂浓度和成分，还取决于加热温度、加热时间和加热范围。增大MFD的有效方法包括使用氧气或氢气的火焰技术以及使用电子辉光放电或激光束的熔化技术。

在这里所描述的方法中，光纤由一对电极间产生的电子辉光放电直接加热。特别地，在由Ericsson制造的熔化接合器FSU995中已经使用了该加热技术。在图9a中示出了典型的自动光纤接合器的基本设置。两根光纤1、1’的终端区域位于电极3的点之间，在它们之间产生了电子放电5以加热光纤末端，电子放电的强度由电极3之间的电流强度控制。由透镜7表示的光学系统在两个正交方向上描绘出了相机(例如携带CCD元件的底片)的光敏感区域9上的光纤末端区域，来自正交方向的光由镜子11偏转并在光合并设备或分束器13中被合并。数字成像处理系统15接收并处理来自光敏感区域9的电子信号并由此通过控制光纤定位设备和电极电流的强度而监控所用的光纤和接合过程。图像处理系统与监控或显示元件17相连以(如)显示该两个图像。因而，如该图所示，所显示的图片能够示出在两个正交方向上看到的光纤末端之间的接合位置、该两个视图彼此位于对方之上。

在图9b的示意图中示出了自动类型的光纤接合设备的更多一些电子细节。因而，该接合设备有夹具或止动器21，在定位和接合期间光纤1、1’的末端部分被放在其中并保持稳固。止动器可以在三个正交坐标方向上行动，一个平行于光纤的纵向，两个垂直于这个方向。止动器21因而由控制电机23沿着适当的机械引导(未示出)移动。到电极3和电机23的电子线路是从电子电路模块25之中分别从驱动电路27和29延伸出来的。从TV相机9配置了一条电子线路到电子电路模块25中的视频接口31，从这里传输适当的图像信号到图像处理和图像分析部件15。各种程序步骤由控制电路33(例如适当的微处理器)控制。控制电路33执行上述程序步骤并因而通过在适当的位移方向上激发电机23而控制光纤末端相对于彼此的位移，提供信号给图像处理和图像分析部件15以启动对获得的图像的分析。此外，控制电路33控制开始提供熔化电流给电极5的时间、输送这个电流的时间周期以及该电流的强度。

当光纤1、1’由电子辉光放电5加热时，从受热的光纤部分以及空气放电放射出的热辐射可以用视频相机9观察到并用接合设备的数字图像处理系统15进行分析。因为观察到的光强度分布与光的放射直接相关并且最大放射来自温度最高的区域，即主要是辉光放电区域，尤其是放电中的特定固体目标，因而通过观察并仔细分析光强度分布可以获得辉光放电的位置以及它的移动上的信息。

图9a和9b的熔化接合器可以很好地等效用于局部加热单个光纤。将光纤放置在止动器21中以使要加热的光纤区域位于止动器之间并且位于电极3的点之间，这个位置也称为接合位置。

对单个光纤，能够观察到热图像的有效的熔化区域沿着光纤轴的长度为300μm。熔化区域内的温度由熔化电流决定，熔化电流通常是6～16mA，对应的熔化温度约1200～2000℃。实验中所用的光纤是标准单模光纤(SMF)，由Corning制造的SMF28^TM。保持光纤上的张力不变，即在熔化过程中不拉伸或推挤光纤，推挤意味着光纤在它的轴向上被压缩，如在正常的熔化接合中会产生“重叠”。为了消除会影响MFD测量的附加因素的影响，例如覆层变形、光纤的几何变化(如纤芯的中心和覆层之间距离的变化)、同心度误差、偏离圆形形，对不同的熔化电流(即对不同的熔化温度)和不同的熔化时间(即为熔化过程而产生的不同的加热持续时间)测量MFD。发现对相对较长的熔化时间，如最长达5分钟，小于11mA的熔化电流不会导致纤芯和覆层的任何显著变形。因此，除非特别说明，否则就已经在实验中使用了11mA的这个熔化电流。

在上述实验条件下，已经研究了MFD扩大与熔化时间的相关性。要测试的光纤的MFD由TNF方法用折射率分布和几何扫描仪EXFONR9200测量，该方法涉及在受热区域的中心切割局部受热的光纤。下文中将讨论测定加热中心的技术。图1示出了沿着垂直于初始的SMF28光纤的纵轴的线发出的波长为1550nm的光的强度变化的一个典型例子。已经根据Petermann-模式(见1992年的CCITT G.650，“Definition and test methods for the relevant parameters ofsingle-mode fibers”)以及高斯模式计算计算出了MFD，根据这两种方法给出的值分别为约10.97μm和9.83μm。为方便起见，下面将用高斯-模式计算MFD。

图2示出了MFD扩大与熔化时间的相关性。测量出的MFD被绘制成熔化时间的函数。已经测量了18个样本。每个数据点的值是通过对从三个不同样本取得的数据取平均值而得到的。还绘出了对应的误差条示出测量的数据的标准偏差。测量误差主要是由于在切割光纤中缺乏精度以及所用扫描仪的系统误差而造成的。

从图2中可以清楚地观察到MFD随着延长熔化时间而增大。在加热处理5分钟后MFD约增大35％。为了定量地测定MFD扩大的熔化时间相关性，已经用一阶回归线对测量数据进行了拟合，见图2中所绘的实线。在这个例子中可以看到MFD几乎随着增加熔化时间而线性增加。其关系可以近似如下：

MFD＝0.7506t+9.9186     t≤5min    (1)

其中t是以分钟表示的熔化时间，MFD 以μm测量。必须注意到如果使用不同的加热条件MFD扩大可能会有完全不同的行为。已经有报告说当使用加热范围为5-14mm的丙烷/氧气焰微灯时可以获得MFD随时间的抛物线增长，见IEEE Photon.Technol.Lett.，Vol.4，pp.1390-1391，1992，M.Kihara，S.Tomita的“Loss characteristics ofthermally diffused expanded core fiber”。

为了提取与MFD扩大相关的信息，已经采用了热图像。热图像是通过在加热过程中检测光纤的热光辐射而获得的。它是用装备了CCD-相机和数字成像处理器的光学成像系统完成的。发现获取热图像的最佳熔化条件是12mA的放电电流以及2秒的熔化时间。这些条件确保能够获得多个高质量图像而不会引起额外的MFD扩大。因此，在加热处理的结尾，为最佳熔化条件施加额外的熔化过程以提取MFD上的信息。

图3a和3b示出了自初始SMF28光纤的两个正交观察方向获取的典型的热图像。还绘出了横向和纵向上纤芯图像的光强度分布，分别见图3a和3b中的虚线。图3a和3b中的实线示出了从图像中提取纤芯图像的光强度分布图的位置。图3中示出的光强度分布图的最大值明显地指示加热中心的位置，它用来确定加热中心的位置以切割TNF测量中所用的光纤。在图3b中，纤芯图像的横向分布示出了在纤芯的中间附近升起的波峰结构。这是因为纤芯中搀杂剂的浓度明显高于覆层中的浓度。

观察到该波峰结构的宽度随着增加熔化时间而显著增加。图4a示出了自初始光纤取得的热图像，图4b示出了自以11mA的熔化电流加热了3分钟之后的该光纤取得的热图像。可以清楚地看到纤芯图像的宽度(即热图像中间的亮白区)在3分钟的加热处理后变得宽多了。

为了获得对纤芯图像的宽度随着加热时间的增加而扩大的定量理解，从这两个视图中提取纤芯范围附近的光强度分布图。该分布图由所谓的卡方(chi-square)χ²拟合过程用Levenberg-Marquardt方法(瑞典D.W.Marquardt，Journal of the Society for Industrialand Applied Mathematics，Vol 11，pp.431-441，1963)进行去卷积。这里，假定光强度分布是高斯函数(Gaussian)加上固定的噪音背景的重叠。拟合结果的质量由最小化X²-特征(merit)函数评定：

${\mathrm{\χ}}^2=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\frac{y_i-y(x_i;a_k,b_k,c_k,d)}{{\mathrm{\σ}}_i}\right]}^2---\left(2\right)$

对每个测量的数据点(x_i，y_i)，对应的标准偏差是б_i，它是由

估计出的，其中y_i(x_i；a_k，b_k，c_k，d)表示M个高斯函数的和，a_k、b_k、c_k和d是自由拟合参数，N是为分析而采用的数据量。拟合函数、M个高斯函数的和以及噪音背景d由下式给出：

$y(x_i;a_k,b_k,c_k,d)=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\exp [-{\left(\frac{x_i-b_k}{c_k}\right)}^2]+d---\left(3\right)$

图5示出了在垂直于光纤轴的方向上获得并从图4a和4b的照片中提取的光强度分布(从图4a获得的光分布由实心圆表示，从图4b获得的光分布由实心三角形表示)，为光纤图像中心约50个像素范围测定的光强度分布，也称为分布图。在图5的图中观察到纤芯图像的光分布被叠置在不对称背景之上。不对称背景的贡献主要由光系统中的反射光形成。在图4a和4b中可以观察到反射光的现象，见接近光纤图像视图底边的白色区域。这个不对称贡献引起了波峰右侧的肩形结构，见图5。为了减去这个贡献，由三个高斯函数(M＝3)加上一个恒定的噪音背景对数据进行去卷积。为了更容易比较，由强度的最大值对数据进行标准化。还绘出了拟合结果，见图5中实曲线所指示的图。只从受热的纤芯获得的光分布可以看作是有最大峰值的高斯函数。纤芯图像的宽度可以确定为这个高斯函数的某个宽度测量，例如标准偏差或半值宽度。图5中可以清楚地看到纤芯图像的宽度随加热周期的延长而显著增加。发现纤芯图像的宽度从6.8个像素扩大到8.4个像素，对应于3分钟加热处理后扩大了约24％。

在图6中，绘出了纤芯图像宽度扩大与熔化时间的相关性。由实心圆表示的每个数据点包括在两个方向上从三个样本获取的六个图像。用一阶回归线对数据进行了拟合。再次发现纤芯图像宽度随熔化时间增加而线性增加，可以表示如下：

W＝0.5358t+6.8610      t≤5min    (4)

其中t是以分钟表示的时间，W是以像素表示的宽度。测量的不确定性由标准偏差给出。还绘出了测量的对应误差条。不确定性主要归因于由于“弧移动”而导致的放电不稳定性，这是由沉积在电极表面的硅石微粒的动态变化而引起的一种现象。“弧移动”对测量的影响可由称为“弧重回中心”的技术减到最小，该技术可见国际专利申请号PCT/SE01/01018，发明人黄卫平等。当然对每个样本采用多个热图像并利用数字图像处理技术也可提高图像质量并抑制测量的不确定性。

图7示出了MFD和纤芯图像宽度W之间的关系。测量的数据(见图7中的实心圆)是从图2和图6的图中提取的。为阅读方便起见，像素单位被转换成了μm。对该成像系统来说转换系数是1.5。为了阐明这个关系，用一阶回归线对数据进行了拟合，见图7中的实线。该关系如下：

MFD＝0.9336W+0.3108       t≤5min    (5)

可以立刻发现MFD扩大和纤芯图像宽度扩大之间的强线性相关。该相关表明MFD随熔化时间的动态变化信息可以通过监控热图像中纤芯图像宽度的对应变化而直接获得。

对于SMF28光纤，公式(5)所示的相关性相对简单一些。MFD的扩大和纤芯图像宽度的扩大几乎在同一量级上。但是，对不同类型的光纤相关性可能完成不同，例如展示为非线性相关性。由于光纤纤芯中不同的搀杂剂成分和浓度，对不同类型的光纤提取MFD信息的最佳熔化条件也可能变化。因此，为了开发出被动测定MFD的通用方法，必须在实验室中对所有类型的光纤单独研究相关性和熔化条件。因而，可以对市场上现有的主要类型的光纤研究相关性和最佳熔化条件，例如标准SMF、下压覆层光纤(DCF)、色散移位光纤(DSF)、多模光纤(MMF)和搀铒光纤(EDF)等。在这种研究之后，可以用测量结果构造一个数据库以支持MFD检测的自动化过程。

图8的流程图示出了上述用于自动化熔化接合器的被动测定MFD的通用过程的步骤。使用该过程，由处理器逻辑电路33控制，见图9b，在第一步81请求用户输入要加热或观察的光纤属于哪种类型并且用户输入类型。在第二步从数据库访问最佳熔化参数并启动电极3之间的电子辉光放电。在熔化过程中对最佳熔化参数获取多个热图像，如三个。图像处理和分析部件15分析热图像在纵向和横向上提取纤芯图像分布。提取纤芯图像的纵向强度分布以确定加热中心所处位置，然后分析横向强度分布以获得纤芯图像宽度的信息。通过适当地模型化纤芯图像的横向强度分布，例如用公式(2)和(3)，得到纤芯图像的宽度。根据光纤类型信息，从数据库调用所考虑的光纤的MFD和纤芯图像宽度之间的对应相关性。从其中计算和确定MFD。

图9b中还可看到基本上是由一个或多个合适的处理器执行的逻辑块并为该处理所要求的部件。图像处理和分析部件15因而包括用于测定纤芯图像宽度的部件35。这个测定部件包括用于测定纵向光强度分布的部件36、用于测定加热中心的部件37、用于测定横向光强度分布的部件38以及宽度测定部件39。宽度测定部件包括用于曲线拟合的部件41，进行一些曲线拟合过程，如上面概述的使用适当的模型函数像上述高斯函数和常量的和的卡方方法，用于选择适当的曲线尤其是包含在用于宽度测定的复合模型曲线中的曲线的曲线决定部件42以及用于从所选择的拟合的模型曲线包括的曲线测定宽度的部件43。测定出的宽度值被提供给处理器逻辑电路33，提供给其中包括的部件45用于测定与测量出的宽度对应的MFD。MFD测定部件可以用宽度值作为数据库49中表47的输入以从中获得对应的MFD值。如果在该表中找不到该宽度值，可以访问相邻的宽度值以及它们的对应MFD并由内插部件51计算与处理和分析部件15提供的宽度对应的MFD。可替代地，不需要使用该表，MFD测定部件可以包括一个计算部件53，用该宽度作为为受热光纤所属类型确定的算法55的输入值而计算出MFD。

这里公开的方法的直接应用之一包括对自动化熔化接合器中进行的接合损失估计的改进。在大多数自动化熔化接合器中使用了一种接合损失估计的被动方法。在过去二十年中已经研究并开发出了估计接合损失的不同模型。众所周知的接合损失估计理论是butt-joint理论(见1977，Bell Syst.Tech.J.，Vol 56，pp.703-718，D.Marcuse“Loss Analysis of single-mode fiber splices”)以及微变形损失理论和/或模式耦合理论(见Proc.Int.SPIE’91Conf.，Boston，MA，Vol.1580，pp.380-391，1991，W.Zheng“Lossestimation forfusion splices of single-mode fibers”和J.Lightwave Technol.，Vol.12，pp.430-435，1994，W.Zheng，0.Hultén和R.Rylander“Erbiμm-dopedfibersplicing and splicelossestimation”)。因而总的接合损失LT可根据不同损失机制估计如下：

L_T＝L_butt-joint+L_{core-misaligment}+L_{core-deformation} +L_{index-variation}+L_{macro-bending}    (6)

其中，L_butt-joint，L_{core-misalignment}，L_{core-deformation}，L_{index-variation}和L_{macro-bending}分别由MFD失配、纤芯未对准、纤芯变形、折射率变化和光纤的宏弯曲引起。表示如下：

$L_{\mathrm{butt}-\mathrm{joint}}=20\log \frac{w_1^2+w_2^2}{2w_1{w}_2}---\left(7\right)$

$L_{\mathrm{core}-\mathrm{misaligment}}=F_d\{\mathrm{\λ},w,a,b,n_1,n_{2,}\}\frac{d^2}{w^2}---\left(8\right)$

$L_{\mathrm{core}-\mathrm{defotmation}}=F_{\mathrm{\δ}}\{\mathrm{\γ},\mathrm{\λ},w,a,b,n_1,n_2\}\frac{{\mathrm{\δ}}^2}{w^2}---\left(9\right)$

$L_{\mathrm{index}-\mathrm{variation}}=F_i\{i(z,I)\mathrm{\λ},w,a,b,n_1,n_2\}\frac{k^2}{w^2}---\left(10\right)$

其中w₁和w₂是正在接合的两根光纤的模场半径，w(MFD＝2w)是光信号所来自的光纤的模场半径，d是熔化之后的纤芯偏移，δ是纤芯微弯曲幅度，γ是微弯曲下降速率，k＝2π/λ是波数，λ是波长，n₁和n₂是折射率。折射率函数i(z，I)是沿着光纤轴的z-坐标和不连续性I的阶梯函数。a和b分别是纤芯和覆层的半径。

L_butt-joint是具有不同MFD的两根光纤之间的固有接合损失，L_{core- misaligment}和L_{core-deformation}损失主要由两根光纤的对准不准确、光纤质量差(例如覆层对纤芯的高偏心率、光纤严重偏离圆形等)、光纤制备过程中获得的劈角差、对准之后的严重覆层偏移以及熔化过程和/或熔化参数的不当选择引起。L_{index-variation}损失代表由于熔化期间纤芯-搀杂剂的严重扩散导致的折射率分布的变化。宏变形损失L_loss-bending主要由因为在光纤的剥离的表面上施加的不当压力以及光纤表面上和/或过程中用于支撑光纤的V型槽上残余的大面积微尘产生的光纤的不完全纵向对齐而导致。

除了L_{macro-bending}之外，大部分损失机制都是MFD的函数。因此，对MFD的了解对于进行准确的损失估计非常重要。不幸的是，由于MFD根据不同的熔化过程和光纤组合而动态变化，在熔化过程中难以获得对MFD的直接了解。实践中，通常考虑最终的MFD为模型计算中的自由参数，但根据接合损失的主动测量手工优化用于模型计算的适当的MFD值。主要由于技术原因以及涉及的接合过程相当复杂，对用于估计计算的MFD值的优化非常难且耗时，或许只能由非常有经验的操作员来完成。

使用这里所公开的方法，还可以观测到熔化过程中MFD的动态变化。由此，可以动态地监控MFD的变化。接合后检测到的MFD的最终值可以直接用于损失估计。因而可以避免手工优化MFD值这项乏味而复杂的工作。

尽管这里已经阐明并描述了本发明的具体实施例，但应该认识到本领域的技术人员将会很容易想到众多额外的优点、更改和变化。因此，本发明在它的广义方面并不限于这里所展示并描述的具体细节、代表性设备和所示出的例子。因此，在不偏离由所附权利要求定义的通用发明概念及它们的等效物的精神和范围的前提下可以进行各种不同的改动。因此应该理解想要由所附权利要求覆盖落在本发明真正的精神和范围内的所有这种改动和变化。

Claims (21)

1.一种测定光纤的模场直径的方法，其特征在于下列步骤：

-加热该光纤的一个区域，

-捕获该光纤的该区域的热图像，

-从该热图像测定沿着与该光纤纤芯对应的图像区的纵向强度分布，

-从该纵向强度分布测定该热图像的加热中心，该加热中心对应于受热区域的中心，

-从该热图像测定沿着穿过受热中心的图像的线的横向强度分布，

-从该横向强度分布测定该热图像中纤芯图像的宽度，以及

-从测定出的宽度获得该光纤的模场直径。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于在测定加热中心的子步骤中，加热中心的位置被测定为纵向强度分布有最大值的点。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于获得模场直径的步骤包括下列子步骤：

-拟合测定出的横向强度分布为一个函数，该函数是至少两个类似的有峰值的函数之和，

-采用该至少两个类似函数中有最高的最大值的那一个来代表光纤纤芯图像，以及

-从所述在该至少两个类似函数中采用的那一个测定出纤芯图像的宽度。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于在拟合子步骤中，所采用的函数为至少两个高斯函数之和。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于在测定宽度的子步骤中，所述宽度被测定为标准偏差或半值宽度。

6.根据权利要求3的方法，其特征在于在拟合子步骤中，所述函数是至少两个类似的有峰值的函数和一个常量之和。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于在获得模场直径的步骤中，模场直径是从一个数据库获得的，该数据库包括一张使捕获的图像中光纤纤芯的宽度与模场直径相关的表。

8.根据权利要求1的方法，其特征在于在获得模场直径的步骤中，模场直径是通过根据为光纤所属的光纤类型确定的算法从光纤纤芯的宽度值计算该光纤的模场直径而获得的。

9.根据权利要求1的方法，其特征在于对光纤加热不同的持续时间和/或加热到不同的温度，并且对每个加热实例捕获热图像，在热图像中测定宽度并测量模场直径，以产生宽度和模场直径的相关值，这些相关值用在从宽度获得模场直径的过程中。

10.根据权利要求9的方法，其特征在于模场直径是用发射近场方法测量的。

11.根据权利要求9的方法，其特征在于确定模型函数的参数，使得适合确定出的参数的模型函数匹配所述相关值，并且该模型函数用在从宽度获得模场直径的过程中。

12.一种估计两根光纤的熔化接合中的接合损失的方法，其特征在于：在熔化操作的末尾，获取接合区域处两根光纤末端的热图像，测定所述热图像中光纤末端的纤芯的宽度，根据权利要求1从所述宽度中获得接合处光纤末端的模场直径，并且用获得的模场直径估计接合损失。

13.根据权利要求12的方法，其特征在于接合损失被估计为下列中的一个或多个：

-碰撞-连接损失，

-纤芯未对准损失，

-纤芯变形损失，以及

-折射率变化损失。

14.一种用于测定光纤的模场直径的设备，其特征在于：

-光纤支架，

-用于加热由支架所支撑的光纤的一部分的加热器，

-用于光纤被支撑并加热时捕获所述光纤的所述部分的图像的相机，

-与相机相连用于处理由相机捕获的图像的图像处理装置，该图像处理装置包括：宽度测定模块，用于测定捕获的图像中光纤纤芯图像的宽度，该宽度测定模块包括：

-纵向强度分布测定部件，用于从热图像测定沿着与光纤纤芯对应的图像区域的纵向光强度分布，

-加热中心测定部件，与纵向强度分布测定部件相连，用于从纵向光强度分布测定热图像中加热中心的位置，加热中心对应于受热区域的中心，

-横向强度分布测定部件，与加热中心测定部件相连，用于从热图像测定沿着一条穿过加热中心的图像的线的横向光强度分布，和

-宽度测定部件，与横向强度分布测定部件相连，用于从横向强度分布测定热图像中纤芯图像的宽度，

-模场直径测定部件，与图像处理装置相连，用于从所测定的光纤纤芯的宽度测定光纤受热区域的模场直径。

15.根据权利要求14的设备，其特征在于加热中心测定部件被安排成测定加热中心的位置为纵向强度分布有最大值的点。

16.根据权利要求14的设备，其特征在于模场直径部件包括：

-曲线拟合部件，用于拟合测定的横向强度分布为一个函数，该函数是至少两个类似的有峰值的函数之和，

-曲线测定部件，与曲线拟合部件相连，用于从该至少两个类似函数中采用有最高的最大值的那一个来代表光纤纤芯的图像，所述至少两个类似函数之和有最佳拟合，和

-宽度测定部件，被安排成从所述在至少两个类似函数中采用的那一个测定纤芯图像的宽度。

17.根据权利要求16的设备，其特征在于曲线拟合部件被安排成采用一个是至少两个高斯函数之和的函数。

18.根据权利要求17的设备，其特征在于宽度测定部件被安排成测定宽度为该至少两个高斯函数中所采用的那一个的标准偏差或半值宽度。

19.根据权利要求16的设备，其特征在于曲线拟合部件被安排成采用该函数为所述至少两个类似的有峰值的函数和一个常量之和。

20.根据权利要求14的设备，其特征在于模场测定部件包括一个数据库，该数据库包括一张使光纤纤芯的宽度和模场直径相关起来的表。

21.根据权利要求14的设备，其特征在于模场测定部件包括一个计算部件，被安排成根据为光纤所属的光纤类型确定的算法从光纤纤芯的宽度值计算其模场直径。

Images