DE102012101058B3 - Method for manufacturing cohesive connection between optical glass fiber and glass brick, involves approaching glass fiber to glass brick, where approximate glass fiber and glass block are irradiated with laser light - Google Patents
Method for manufacturing cohesive connection between optical glass fiber and glass brick, involves approaching glass fiber to glass brick, where approximate glass fiber and glass block are irradiated with laser light Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer Glasfaser mit einem Glasstein.The invention relates to a method for connecting a glass fiber with a glass brick.
Durch das im Stand der Technik beschriebene "thermische Spleißen" können sowohl Einmoden- als auch Mehrmoden-Glasfasern sowie Glasfaserbündel stoffschlüssig, dämpfungsarm und dauerhaft miteinander verbunden werden. Da das Spleißen als häufig durchzuführender Arbeitsschritt die Kosten für das Verlegen und die Montage eines Lichtwellenleiter-Kabels nicht unerheblich beeinflusst, wurden handliche und auch unter erschwerten Bedingungen vor Ort einsetzbare Geräte entwickelt, die alle für das Verschweißen der Glasfasern erforderliche Schritte vollautomatisch ausführen. Die Dämpfung der mit einem solchen Gerät hergestellten Spleißverbindung hängt unter anderem von der exakten Ausrichtung der lichtführenden Faserkerne, der Qualität der Faserendflächen (Rauhigkeit, Bruchwinkel) und der vom Bediener gewählten oder durch das jeweilige Programm vorgegebenen Schweißparametern (Schweißzeit, Schweißstrom) ab. So kann insbesondere eine zu hohe oder zu niedrige Fasertemperatur während des Verschweißens zu einer Spleißverbindung führen, deren Dämpfung oberhalb des gewünschten Grenzwertes von beispielsweise D < 0,02 dB liegt.By virtue of the "thermal splicing" described in the prior art, both single-mode and multimode glass fibers as well as glass fiber bundles can be connected to one another in a material-locking, low-damping and durable manner. Since splicing, as a frequently performed operation, has a considerable impact on the costs of laying and assembling an optical fiber cable, handy devices have been developed which can also be used under difficult conditions on site. These devices perform all the steps required to weld the optical fibers fully automatically. The attenuation of the splice connection produced with such a device depends, inter alia, on the exact alignment of the light-conducting fiber cores, the quality of the fiber end faces (roughness, break angle) and the welding parameters selected by the operator or specified by the respective program (welding time, welding current). For example, a too high or too low fiber temperature during welding can lead to a splice connection whose attenuation is above the desired limit of, for example, D <0.02 dB.
Glasfasern (Lichtwellenleiter) können auch mit einem speziellen Lichtbogenspleißgerät gespleißt werden, wobei Verlegekabel an ihren Enden mit jeweiligen „Pigtails“ – kurze Einzelfasern mit Stecker an einem Ende – verbunden werden. Das Spleißgerät justiert die lichtleitenden Kerne der beiden Enden der zu spleißenden Glasfasern punktgenau aufeinander. Das Justieren geschieht bei im Stand der Technik beschriebenen Geräten vollautomatisch, bei älteren Modellen manuell mittels Mikrometerschrauben und Mikroskop.Fiber optic cables can also be spliced using a special arc splicer, with installation cables connected at their ends to respective "pigtails" - short single fibers with connectors at one end. The splicer precisely adjusts the light-guiding cores of the two ends of the glass fibers to be spliced. Adjustment is done fully automatically in devices described in the prior art, manually in older models by means of micrometer screws and microscope.
Im Stand der Technik ist beschrieben, dass Fasern mit einem Glasstein unter Einwirkung von Laserenergie verbindbar sind. Das Spleißen von Glasfasern führt zu einer Verformung der Faser durch die thermische Einwirkung von Wärme, insbesondere Lasereinwirkung. Weiterhin tritt ein Problem des „Unterschmelzens“ der Faserränder für größere Faserdurchmesser auf, da z. B. ein Spalt zwischen Faser und dem Glasstein besteht.It is described in the prior art that fibers can be bonded to a glass block under the action of laser energy. The splicing of glass fibers leads to a deformation of the fiber due to the thermal action of heat, in particular laser action. Furthermore, a problem of "under-melting" of the fiber edges for larger fiber diameter, since z. B. there is a gap between the fiber and the glass brick.
Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, ein Verfahren bereitzustellen, das nicht die beschriebenen Nachteile und Mängel aufweist.The object of the invention is therefore to provide a method which does not have the disadvantages and shortcomings described.
Gelöst wird die Aufgabe durch den Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved by the
Es wird mithin ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einer optischen Glasfaser und einem Glasstein bereitgestellt, durch Ausführen der folgenden Schritte:
- a. Annähern der Glasfaser an den Glasstein,
- b. Bestrahlen der angenäherten Glasfaser und des Glassteins mit Laserlicht,
- c. Verdampfen von Material außerhalb der Spleißstelle,
- d. Deposition des verdampften Materials aufgrund von Temperaturgradienten und
- e. Verschmelzung der Faser mit dem Stein durch Erwärmen.
- a. Approximating the glass fiber to the glass stone,
- b. Irradiating the approximated glass fiber and the glass block with laser light,
- c. Vaporizing material outside the splice site,
- d. Deposition of the vaporized material due to temperature gradients and
- e. Fusion of the fiber with the stone by heating.
Eine Glasfaser wird, vorzugsweise mittels einer automatischen Vorrichtung an einen Glasstein herangeführt. Die Glasfaser, das heißt der dem Glasstein zugewandte Bereich der Faser und der Glasstein, werden durch die Bestrahlung mit Laserlicht erwärmt.A glass fiber is brought to a glass block, preferably by means of an automatic device. The glass fiber, that is to say the area of the fiber facing the glass brick and the glass brick, are heated by the irradiation with laser light.
Die Erzeugung von Spleißen mit vorhandenen Vorrichtungen mit bisherigen Prozessführungen führt dazu, dass die Belastung und Verformung der Faser durch die thermische Einwirkung der Laserleistung zu hoch ist. Außerdem tritt ein Unterschmelzen der Faserränder für größere Faserdurchmesser durch verbleibende Spalte zwischen Faser und Glasstein auf.The generation of splices with existing devices with previous process control leads to the fact that the load and deformation of the fiber is too high due to the thermal effect of the laser power. In addition, undershoot of the fiber edges occurs for larger fiber diameters due to remaining gaps between fiber and glass brick.
Die Verformung der Fasern durch die thermische Einwirkung der Laserleistung kann durch das Verschieben des Leistungsmaximums von der Spleißstelle nach innen bzw. außen verringert werden. Bei der Verschiebung nach außen wird die Faser am geringsten belastet. Beim Spleißen von Fasern mit größerem Durchmesser gelingt die Verbindung auf konventionelle Art nicht mehr zuverlässig, da die Ränder der Faserenden zum Verrunden neigen und damit am Rand keine Verbindung zwischen Faser und dem Glasstein mehr hergestellt wird.The deformation of the fibers by the thermal action of the laser power can be reduced by shifting the power maximum from the splice inward or outward. When moving outward, the fiber is loaded the least. When splicing fibers with a larger diameter, the connection no longer succeeds in a conventional manner reliably, since the edges of the fiber ends tend to round and thus no connection between the fiber and the glass brick is made at the edge.
Durch Extrapolation der Ergebnisse für kleinere Faserdurchmesser ergibt sich ein größerer Durchmesser des Laserringes, als bei den bisherigen Versuchen genutzt wird. Tests mit entsprechenden größeren Durchmessern zeigen folgende Veränderungen:
- – Für kurze Prozesszeiten sieht man die Deposition von Glasstaub bzw. Glaspartikeln an der Faser. Diese stammen von dem Glasstein verdampften Material und finden sich sowohl innerhalb und auch außerhalb des Fokusbereichs.
- – Bei längeren Prozesszeiten erwärmt der Randbereich des Fokus die Faser mit den darauf befindlichen Partikeln. Diese verbinden sich mit der Faser und dem Glasstein und bilden eine Art Füllmaterial.
- – Die resultierenden Spleiße zeigen im bereich von einigen 100 μm eine leichte Verdickung der Faser durch das aufgetragene Material und eine Verrundung nach außen am Bereich des Überganges von der Faser zum Glasstein.
- – Eine identische Form ist auch für kleinere Faserdurchmesser nachweisbar, so dass man von identischen Abläufen ausgehen kann, diese aber zeitlich schneller ablaufen.
- - For short process times you can see the deposition of glass dust or glass particles on the fiber. These come from the material vaporized from the glass brick and are found both inside and outside the focus area.
- - For longer process times, the edge area of the focus heats the fiber with the particles on it. These combine with the fiber and the glass stone and form a kind of filling material.
- The resulting splices show a slight thickening in the range of a few 100 .mu.m Fiber through the applied material and a rounding outward at the area of the transition from the fiber to the glass brick.
- - An identical shape is also detectable for smaller fiber diameter, so that one can assume identical processes, but these run faster in time.
Damit kann eine alternative Form des Faser-Steins-Spleißens durchgeführt werden, welche zudem die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.Thus, an alternative form of fiber-stone splicing can be performed, which also does not have the disadvantages of the prior art.
Die Neuerung der Erfindung ggü. dem Stand der Technik ist, dass Material außerhalb der Spleißstelle verdampft wird (vom Stein und von der Faser). Hierdurch kommt es zu einer Deposition des verdampften Materials aufgrund der Temperaturgradienten. Die Faser verschmilzt mit dem Stein durch Erwärmen der Verbindungspartner. Die Vorteile ggü. dem Stand der Technik sind, dass Spalte zwischen Faser und Stein überbrückbar sind, was zu einer Vermeidung von Unterschmelzen der Faserränder führt. Außerdem ist die thermische Belastung an der Spleißstelle geringer.The innovation of the invention compared. In the prior art, material is vaporized outside the splice (from the stone and from the fiber). This leads to a deposition of the vaporized material due to the temperature gradient. The fiber fuses with the stone by heating the bonding partners. The advantages over In the prior art, gaps between fiber and stone can be bridged, which leads to avoiding underfelting of the fiber edges. In addition, the thermal stress at the splice is lower.
Die Glasfaser und der Glasstein werden somit an der Spleißstelle durch die Laserstrahl-Einhüllenden erwärmt und Material vom Glasstein und der Faser werden außerhalb der Spleißstelle verdampft. Es erfolgt eine Deposition des verdampften Materials aufgrund der Temperaturgradienten zwischen Spleißstelle und der erwärmten Stelle, wodurch wiederum eine Verschmelzung der Faser mit dem Glasstein erzielt wird.The glass fiber and glass block are thus heated at the splice site by the laser beam envelope and material from the glass brick and fiber is evaporated outside the splice site. Deposition of the vaporized material occurs due to the temperature gradients between the splice site and the heated site, which in turn results in fusion of the fiber with the glass brick.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet eine Glasfaser eine aus Glas bestehende lange dünne Faser. Glasfasern können als Glasfaserkabel zur Datenübertragung und zum flexiblen Lichttransport von z. B. Laserstrahlung, als Roving oder als textiles Gewebe zur Wärme- und Schalldämmung, sowie für glasfaserverstärkte Kunststoffe eingesetzt werden. Die Glasfasern sind alterungs- und witterungsbeständig, chemisch resistent und nicht brennbar.For the purposes of the invention, a glass fiber refers to a long thin fiber made of glass. Glass fibers can be used as fiber optic cable for data transmission and flexible light transport of z. As laser radiation, used as a roving or as a textile fabric for thermal and acoustic insulation, and for glass fiber reinforced plastics. The glass fibers are aging and weather resistant, chemically resistant and non-flammable.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhafterweise eine Optimierung der Spleiße für kleine Durchmesser (insbesondere kleiner als 720 µm) durch eine Verschiebung der Größe des Ringdurchmessers des Lasers nach innen bzw. nach außen erreicht werden. Es kann zudem eine Extrapolation auf größere Faserdurchmesser erfolgen, wobei sich die Dauer des Spleißprozesses entsprechend verlängert.By means of the method according to the invention, optimization of the splices for small diameters (in particular smaller than 720 μm) can advantageously be achieved by shifting the size of the ring diameter of the laser inwards or outwards. It can also be extrapolated to larger fiber diameter, whereby the duration of the splicing process extended accordingly.
Das Verfahren nutzt vorzugsweise zwei Prozesszonen, so dass die Glasfaser und der Glasstein beidseitig von Laserlicht bestrahlt werden, wobei bevorzugt beide Laserfokussierungspunkte auf dem Glasstein liegen. Hierdurch kann eine gleichmäßige und beidseitige Verschmelzung der Faser mit dem Glasstein erreicht werden.The method preferably uses two process zones, so that the glass fiber and the glass block are irradiated on both sides by laser light, wherein preferably both laser focussing points lie on the glass block. As a result, a uniform and bilateral fusion of the fiber with the glass block can be achieved.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Abstände der Fokussierpunkte relativ zueinander und zur Spleißstelle frei wählbar sind. Hierdurch kann die Temperaturverteilung und -entwicklung der Verbindung im Schweißpunkt gesteuert werden, was dazu führt, dass ein Unterschmelzen der Verbindungspartner, nämlich der Glasfaser und des Glassteins verhindert wird.Furthermore, it is preferred that the distances of the focusing points relative to one another and to the splice point are freely selectable. In this way, the temperature distribution and development of the compound can be controlled in the welding point, which means that a submergence of the connection partners, namely the glass fiber and the glass block is prevented.
Diesbezüglich kann es auch bevorzugt sein, dass die Intensitäten der einzelnen Laserfokussierungspunkte frei wählbar sind. Die Temperatur der Glasfaser sowie des Glassteins kann durch Messgeräte bestimmt werden. Die Messgeräte können auch die Temperatur an der Spleißstelle bestimmen. Dadurch, dass die Intensitäten der einzelnen Laserfokussierungspunkte unabhängig voneinander einstellbar sind, kann auf Temperaturvariationen schnell reagiert werden, so dass eine optimale Verschmelzung sichergestellt ist.In this regard, it may also be preferred that the intensities of the individual laser focusing points are freely selectable. The temperature of the glass fiber and the glass block can be determined by measuring instruments. The gauges can also determine the temperature at the splice site. Because the intensities of the individual laser focusing points can be set independently of one another, it is possible to react quickly to temperature variations, so that an optimal fusion is ensured.
Es ist bevorzugt, dass die Fokussierungspunkte durch einen einzelnen Laserstrahl erzeugt werden, wobei der Laserstrahl in zwei Fokussierungspunkte aufgespalten wird. Es kann jedoch auch bevorzugt sein, dass die Fokussierungspunkte durch separate Laser erzeugt werden. In Abhängigkeit von der Spleißvorrichtung kann es auch vorteilhaft sein, wenn nicht ein Laser, sondern zwei Laser mit entsprechenden zwei Laserfokussierungspunkten auf die Glasfaser bzw. den Glasstein einwirken.It is preferred that the focussing points be generated by a single laser beam, where the laser beam is split into two focussing points. However, it may also be preferred that the focussing points be generated by separate lasers. Depending on the splicing device, it may also be advantageous if not one laser but two lasers with corresponding two laser focusing points act on the glass fiber or the glass block.
Im nachfolgenden soll der Stand der Technik und die Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:In the following, the prior art and the invention will be explained with reference to drawings. Show it:
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Glasfaser glass fiber
- 22
- Glasstein glass stone
- 33
- Laserstrahl-Strahlachse Laser-beam axis
- 44
- Laserstrahl-Einhüllende Laser beam envelope
- 55
- Abdampfungsbereich Abdampfungsbereich
- 66
- Spleißstelle splice
- 77
- Depositionsbereich deposition area
Claims (5)
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Publication Number | Publication Date |
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GB2160196A (en) * | 1984-06-11 | 1985-12-18 | Gen Electric Co Plc | Manufacture of optical components |
US6758935B2 (en) * | 1998-07-17 | 2004-07-06 | Pierre Bernard | Fabrication of collimators employing optical fibers fusion-spliced to optical elements of substantially larger cross-sectional areas |
US7224864B2 (en) * | 2001-06-07 | 2007-05-29 | Schott Ag | Method for connecting an optical fiber to a grin lens, and a method for producing optical filter modules and filter modules produced according to said method |
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- 2012-02-09 DE DE201210101058 patent/DE102012101058B3/en active Active
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