DE2633572B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden optischer Glasfasern miteinander - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden optischer Glasfasern miteinanderInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden optischer Glasfasern
miteinander, wobei die Enden der Glasfasern gegeneinander axial ausgerichtet werden.
Aus den US-PS 37 75 075 und 37 11 262 sind optische
Glasfasern (auch Wellenleiter genannt) mit geringen Verlusten bekannt, die zur kilometerweiten Übertragung
von Lichtsignalen ohne Zwischenverstärker geeignet sind. Da der Abstand zwischen zwei Ver-Stärkerstationen
oft langer als die ziehbare Faserlänge ist, müssen zwei aufeinanderfolgende Fasern miteinander
verbunden werden. Dabei sollen möglichst geringe Verluste in der Lichtfortpflanzung entstehen.
Aus den DE-OS 23 08 350 und 23 14 753 ist bereits
Aus den DE-OS 23 08 350 und 23 14 753 ist bereits
ω bekannt, die Faserenden mit Klebstoff, z. B. warm
härtbarem, durchsichtigen Kunststoff miteinander zu verbinden. Die Fasern werden koaxial ausgerichtet, ein
niedrig schmelzender Kunststoff auf die Stoßflächen der Faserenden gegeben und die Verbindungsstelle erhitzt,
> wobei der thermoplastische Kunststoff um die Faserenden fließt. Thermoplastische und chemisch härtbare
Kunststoffe v/urden auch bereits mit Hilfe einer Manschette aufgegeben. Hierbei worden die Faserenden
in die Manschette eingefädelt unu der Kunststoff
■*» durch eine Öffnung eingefüllt. Trotz aller Bemühungen
um eine möglichst genaue Anpassung der Brechung bestehen aber immer noch Unterschiede der Brechung
des Klebstoffes einerseits und des Faserkernmaterials andererseits, was zu Reflexionsverlusten führt. Ungün-
i'· stig ist auch die zur Ausrichtung und Verfestigung
erforderliche Manschette wegen der Massigkeit des Aufbaus. Auch muß die Toleranz von Fasern und
Innenfläche der Manschette sehr klein sein, nämlich etwa 1 μιτι, um die Fasern richtig auszurichten, was die
r>o Herstellung erschwert und verteuert. Ferner können an
der Faserverbindungsstelle innerhalb der Manscheiic
Blasen entstehen, was die Faser optisch wertlos macht. Wird nur Epoxy als Klebstoff verwendet, so ist die
Verbindung zu schwach und die Fasern können bei quer
^ zur Faserachse wirkendem Druck auscinandergeschoben
werden.
Eine unmittelbare, einstückige Verbindung der Faserenden wäre günstiger als die Verbindung mit
Kupplungselementen, weil diese aufwendig und massig
w sind und überdies Verluste, insbesondere Fresnellschc
Verluste verursachen.
Es wurde daher versucht, die Fasern durch Anlegen eines Stromes an einen die ausgerichteten Fasern
umgebenden Heizdraht miteinander zu verschmelzen.
·>■> Der Heizdraht erhitzt aber größere Faserlängen, so daß
unter dem Einfluß der Schwerkraft die Fasern durchsacken können und die Ausrichtung verloren geht,
falls sie nicht senkrecht gehalten werden. Diese
mechanisch einwandfreien Verbindungen mit niedrigen Verlustwerten von etwa 0,5 dB sind daher auf niedrig
schmelzende Gläser mit Erweichungstemperaturen von etwa 7000C beschränkt. Fasern mit hohem Kieselsäuregehalt,
z. B. nach den oben genannten Patentschriften, erfordern aber Temperaturen bis etwa 1600° C.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbindung von Faserlängen
zu einer Fase-, größerer Länge zu schaffen, welches ohne massige Kupplungselemente die Fasern mit sehr
geringen Verlusten koppelt, insbesondere, wenn es sich um Fasern mit hohem SiO2-Gehalt handelt.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße
Verfahren gelöst, indem die Endflächen der Glasfasern miteinander in Kontakt gebracht und mittels eines
elektrischen Lichtbogens verschweißt werden, wobei der Lichtbogen in der Ebene der Endflächen angeordnet
und bewegt wird.
Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungen für die
Glasfasern je eine Rille aufweisen und zum gegenseitigen
Ausrichten der Rillen gegeneinander beweglich sind und daß die Elektroden für den Lichtbogen zwischen
den Halterungen beweglich angeordnet sind.
Ausgestaltungen des Verfahrens wie der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Da gemäß der Erfindung die Endflächen der Glasfasern beim Verschweißen miteinander in Kontakt
gebracht sind, also aneinander anliegen, stützen sie sich gegenseitig ab, können also nicht nach unten durchsakken.
Durch den in der Ebene der Endflächen bewegten Lichtbogen wird die Erhitzung gezielt auf die .Stoßstelle
konzentriert, so daß also die Erwärmung und rJamit die thermische Dehnung der Faserenden insgesamt gering
bleiben; die Endflächen der Glasfasern können sich also gegeneinander abstützen, ohne sich aufgrund der
Wärmedehnung zu stauchen oder auszubiegen.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens perspektivisch, von oben.
F i g. 2 zeigt ein abgewandeltes Detail in Endansicht.
Fig.3 zeigt eine Vorrichtung zur Bewegung des Lichtbogens.
Fig.4 zeigt ebenfalls perspektivisch eine weitere
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
F ig. 5 zeigt in Endjnsicht die Halterung der Fasern
bei der Vorrichtung nach F i g. 4.
Fig. 6 zeigt im Querschnitt den Elektrodenlrager
nach Fig. 4 im Querschnitt.
Fig. 7 zeigt perspektivisch eine Bewegung des Lichtbogens mittels Elektromagnete.
Die Fasern 12 und 14 liegen in V-förmigen Rillen 16,
18 in Mikrostellvo'richtungen 20, 22. Die Rillen müssen
so lang sein, daß die Fasern parallel zu den Rillen hervorstehen. Infolge der Steifigkeit der Fasern und des
kleinen Abstandes zwischen den Stellvorrichtungen 20, 22 bleiben die hervorstehenden Faserenden im wesentlichen
gerade. In einer Ausführung betrug der Abstand zwischen den Stellvorrichtungen nur 2,5 cm. Wie der
doppelte Pfeil zeigt, ist die Stellvorrichtung so auf dem Sockel 24 beweglich, daß die Faser 12 mit der Faser 14
in Berührung gebracht werden kann. Die gekreuzten Pfeile auf der Stellvorrichtung 22 zeigen die Beweglichkeit
in zwei Richtungen an, so daß bei parallelen Achsen die Fasern 14, 12 in jeder Richtung zueinander
verschoben werden können. Durch Blattfedern 26, 28 werden die Fasern unter leichtem Druck in den Rillen
gehalten. An der die Fasern berührenden Seite können
die Blattfedern mit einem das Verkratzen der Fasern verhindernden Überzug 30 z. B. Kunststoff, Tuch oder
dergleichen versehen sein.
In einem U-förmigen Träger 38 aus isolierendem Material liegen die zugespitzten Elektroden 34, 36.
Nachdem die Elektrodenspitzen in Lage gebracht sind, werden die Elektroden durch Schrauben 40,42 in Lage
gehalten und durch Leitungen 44, 46 an eine geeignete Spannungsquelle gelegt, vorzugsweise an Gleichstrom,
der einen stabileren Lichtbogen liefert (Gleichstromquelle 50 Fig.3). Der Träger 38 ist auf einem um die
Achse 56 schwenkbaren Hebelarm 54 befestigt. Durch Bewegung des Arms in senkrechter Richtung kann die
Höhe der Elektroden verändert werden, wodurch der mittlere Teil des Bogens die Faserstoßstelie bestreicht.
Der Arm 54 kann aus biegsamem Federstahl bestehen, damit die Elektroden etwas parallel zu den Faserachsen
verschoben werden können.
Für die Herstellung einer gütern Verbindung ist die
Qualität der Faserendflächen besonders wichtig, sie müssen flach und sauber sein. Sie können durch
Abschmirgeln, Belasten und Biegen vorbehandelt werden, vgl. Chinnok, »Optical Fiber End Preparation
for Lev-Loss Tape Splices«, Bell System Technical Journal, Bd. 54, S. 471-477. Vor Herstellung der
Verbindung muß ein etwaiger Überzug entfernt werden, z. B. können Kunststoffüberzüge durch Eintauchen in
Azeton entfernt werden. Durch Halten der Faserenden in einem Abstand von etwa einer Faserdicke und
rasches Hindurchführen eines elektrischen Lichtbogens können Verunreinigungen entfernt werden. Der Lichtbogen
muß rasch geführt werden, damit die Endflächen nicht abgerundet werden.
Die Faserendflächen werden in der senkrechten Ebene, in welcher auch die Elektroden 34, 36 liegen,
miteinander in Berührung gebracht. Dies kann in verschiedener Weise erfolgen. Beispielsweise können
die Fasern von Hand mit Hilfe eines Mikroskops ausgerichtet werden, oder durch Eingeben eines
Licntimpulses in eine Faser und Ausrichten beider Fasern bis zur maximalen Lichtintensität in der anderen
Faser, gegebenenfalls mit Hilfe eines Lichtin'.=nsitälsdetektors.
Sodann werden die miteinander in Berührung gebrachten Endflächen miteinander verschmolzen und
so fest miteinander verbunden. Vorzugsweise werden die Fasern in zwei Stufen miteinander verbunden,
zunächst mit einem Lichtbogen niedrigerer Energie und dann mit einem Bo-ren größerer Energie.
Dies letztere Verfahren sei am Beispiel von Fasern mit einem Gesamtkioselsäuregehalt von 60—80%
cläL.ert. Die durch den Elektrodenabstand und die
angelegte Spannung bestimmte Mindesttemperalur des Bogens hängt von den Merkmalen des Fasjrglases ab.
Ein Strom von 10 mA ist bei einem Elektrodenabstand von 1,6 mm ausreichend, um auch Fasern mit hohem
Kieselsäuregehalt zu erweichen. Dieser Bogen niedrigerer Energie wird etwa 5—10 Sekunden an die
Faserenden gelegt und diese dann zusammengeführt. Für Fasern mit rechteckigen Endflächen senkrecht zu
den Faserachsen sind 5 Sekunden genügend. Die mittlere Wärme erweicht die Fasern und verbindet sie
kalt. d. h. sie kleben zusammen, selbst wenn man sie leicht auseinander zu ziehen sucht. Die optischen
Kennwerte dieser Verbindung sind aber schlecht, weil die Faserendflächen nicht ganz geschmolzen wurden.
Der Strom wird daher bei Bleichem Elektrodenab-
stand bis auf 15 mA erhöht. Der heißere Bogen schmilzt
das Glas an den Endflächen und bildet eine optisch gute Verbindung.
Bei beiden Schritten wird der jeweilige Bogen vorzugsweise über die gesamte Faserstoßflächen hin-
und zurückbewegt. Eine gesteuerte Bogenfiihrung bewirkt eine allmähliche Erhitzung und gewährleistet
eine ausreichende Erhitzung der gesamten Endfläche für eine vollständige Verschmelzung und vermeidet
unerwünschte Abweichungen im Faserdurchmesser an der .Stoßstelle. Hierzu kann z.B. der Hebelarm 54
kreisförmig bewegt werden, wodurch der Bogen entlang der einen F'ascr nach oben und sodann entlang
der anderen Faser nach unten geführt wird.
Haben beide Fasern senkrecht zu den Faserachsen Endflächen guter Qualität, so können sie auch in einem
Verfahrensschritt miteinander durch unmit'clbares Anlegen eines Bogens hoher Temperatur und Verschmelzen
der Endflächen verbunden werden. Auch hierbei können Verbindungen mit niedrigen Verlusten
entstehen. Dennoch wird das zweistufige Verfahren bevorzugt, weil die Gefahr von Blascneinschüsscn
geringer ist und selbst bei weniger guten Endflächen gute Verbindungen erzielt werden. Ferner ist clic Gefahr
einer schlechten Verbindung durch pcrlenförmige1. Abziehen von Teilen der Endflächen durch Oberflächenspannung geringer, weil der Bogen höherer
Energie auch dann die Endflächen vollkommen miteinander verschmilzt, nachdem sie durch den Bogen
niedrigerer Energie erweicht und zusammengedrückt werden. In einem Ausführungsbeispicl wurden mit
dieser Vorrichtung Multimodcn-Wcllcnlciterfasern mit
gestuftem Brechungsindex mit einem 85 um dicken Kern und einem äußeren Durchmesser von 125 um
hergestellt. Die Verluste schwankten bei einer Meßgcnauigkcit
von 0.1 dB /wischen 0.OdB und 2.5 dB. Die meisten Fasern hatten Verluste \on nur 0.2 dB.
Entsprechende. Einfachmodenfascrn mit einem Kerndurchmesser von 7.3 lim und einem äußeren Durchmesser
von 250 μιη wurden ebenfalls auf diese Weise hergestellt, wobei die durchschnittlichen Verluste O.b dB
betrugen.
Der Bogen kann mechanisch oder von Hand entlang der Faser oder um die Faserstoßstclle geführt werden.
Wie in der F i g. 3 gezeigt, ist an dem Hebelarm 54 ein
Stift 60 befestigt und reicht durch ein Loch in der durch den Motor 64 gedrehten Scheibe 62. Vorzugsweise v. ird
der Bogen so geführt, daß sein Mittelpunkt einen Kreis mn einem gleichen Durchmesser wie der der Fasern
beschreibt. Die Faserstoßstelle befindet sich daher nie außerhalb des Bogens, der an der Stoßstelle der Fasern
z. B. einen Kreis mit dem Durchmesser 250 um beschreibt. Zur Erzielung einer nur hin- und hergehenden
Bewegung kann auch ein vibrierender Motor oder ein Nocken verwendet werden.
Wie die Fig.4—7 zeigt, kann der Lichtbogen auch
durch ein magnetisches Feld entlang der Faserstoßstelle geführt werden. Gemäß F i g. 4 sind die Fasern 67 und 68
von den in den MikroStellvorrichtungen 71 und 72 angebrachten Haltern 69 und 70 getragen. In jeder
Mikrostellvorrichtung befindet sich an der Oberfläche
eine Rille, in welcher mehrere zylinderförmige Permanentmagnete untergebracht sind, z. B. die Magnete
73 - 77 ir, der RiHc 80. Die Faser 67 wird in der zwischen
den Magneten 73, 74, 77 befindlichen Öffnung abgestützt. Wie die Fig. 5 zeigt, ist der Magnet 77 an
einer Blattfeder 81 befestigt und kann zur Einführung der Faser aus der Rille 80 gehoben werden. Die übrigen
Magnete sind an der Rillcnoberflächc befestigt. Sobald die Faser in Berührung mit den Magneten 73, 74
gebracht wurde, wird die Blattfeder 81 losgelassen und der Magnet 77 hält die Faser 67 fest. Wie die Fig. 5
zeigt, können die Magneten mit einem das Verkratzen der Faseroberfläche verhindernden Überzug 78, z. B.
aus Kunststoff versehen sein. In entsprechender Weise
wird die Faser 68 in den Halter 70 gelegt. Die Magnete müssen so lang sein, daß die Enden der F:asern parallel
zu den Magnetachsen hervorstehen. Infolge der Steifigkeit der Fasern und des geringen Abstandes
/wischen den Stellvorrichtungen 71, 72 bleiben die Faserenden gerade.
Wie der doppelte Pfeil zeigt, kann die Stellvorrichtung
72 auf dem Sockel 84 bewegt werden, um die Fasern 67, 68 aneinander zu legen. Die Stellvorrichtung
kann entsprechend dem gekreuzten Pfeil in /wei Richtungen verstellt werden, wodurch ti ic Achse der
Fasern 67,68 gleichachsig zueinander ausgerichtet wird
Die [Elektroden 86 und 87 sind in den Öffnungen in den U-förmigen Trägern 88 befestigt. Der Sockel des
Tragers 88 enthält einen Schiit/ 89. in dem sich eine
dünne, rechteckige Platte 90 befindet. Ein an dieser
befestigter Stift 91 ragt aus einem Schlitz 92 in der Breitr des Trägers 88. [)ie Endfläche der laser 67 wird
durch Anheben des Stifts 91 und [Einschicben der Platte 90 /wischen die [Elektroden 86, 87 genau eingestellt.
Dann wird die Blattfeder 81 angehoben, die ['aser 67 an
die Platte 90 gelegt, und diese in den Schlitz 89 zurückfallen gelassen. Sodann wird die Blattfeder 82
gehoben, die Endfläche der I aser 68 in Berührung mit
der laser 67 gebracht, die jetzt durch die Blattfeder 81 festgelegt ist.
Die [Elektroden sind durch Leitungen 91, 94 mit einer geeigneten Spannungsquelle verbunden, damit die
(Elektroden 86,87 einen Bogen erzeugen, welcher unter
[Einwirkung eines Magnetfeldes mit einer parallel zu den Achsen der Faserenden verlaufenden Komponente
entlang der Stoßstelle der Faserenden geführt wird. Diese Bogenfiihrung wird durch [Elektroden mit flachen.
in der Ebene der laserstoßstcllen liegenden axtförmigen Elektrodenenden erleichtert. Das Magnetfeld soll
an der Faserstoßslclle eine parallel zu den Faserachsen wirkende Komponente geeigneter, den Bogen entlang
der Faserstoßstellc ablenkenden Größe erzeugen. Werden Permanentmagnete oder ein konstantes Magnetfeld
erzeugende Elektromagnete verwendet, so werden die Elektroden 86, 87 entsprechend der F i g. 6
an eine Wechselspannung gelegt.
In der Ausbildung der F i g. 7 werden die Elektromagneten
96,97 durch eine Wcchselstromspannungsquclle 98 betätigt. Der Elektromagnet ist unmittelbar über der
Faser 68. der Elektromagnet 97 unmittelbar unter der Faser 67 angeordnet. Die von diesen erzeugten Felder
verstärken einander in der Nähe der Faserstoßstelle, wobei eine erhebliche Komponente parallel zu den
Faserachsen wirkt. Da dieses Magnetfeld zeitlich veränderlich ist. werden die Elektroden 86, 87 mit einer
Gleichstromspannungsquelle 99 verbunden. Der durch die Elektroden 86, 87 erzeugte Bogen wird dann
kontinuierlich abgelenkt und läuft über die Faserstoßstelle.
Nachdem die Fasern nach einer der erläuterten Methoden ausgerichtet wurden, werden die Endflächen
in Kontakt gebracht und miteinander verschmolzen. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung werden sie
zweistufig behandelt, nämlich zunächst mit einem Bogen niedrigerer Energie und dann mit einem Bogen
höherer Energie. Während der Herstellung sowohl der Klebeverbindung als auch während der Verschmelzung
führt das Magnetfeld den heißen, mittleren Teil des jeweiligen Bogens über die gesamte Faserstoßfläche
vor und zurück. Dies bewirkt eine allmählichere Erhitzung und sichert zulel/t eine zur vollständigen
Verschmelzung ausreichende Hitzeentwicklung. Da der Bogen in der Mitte heißer, und am Rand kühler ist, wird
das Glas langsam bis auf die Höchsttemperatur erhitzt und dann langsam gekühlt, während der Bogen über die
Endfläche wandert. Beim Erhitzen dehnen sich die Fasern axial aus unj erhalten beim Schmelzen des
Glases feste ganzflächige Verbindung.
Abweichungen liegen im Bereich des fachmännischen Könnens. So kann eine Elektrode zugespitzt sein, oder
beide Elektroden sind spitz. In jedem Fall wird der Bogen wie erforderlich geführt. Eine besonders gute
Führung entsteht bei der bevorzugten Ausgestaltung mit axtförmigen Elektroden.
Hierzu 3 niatt Zeichnungen
Claims (16)
1. Verfahren zum Verbinden optischer Glasfasern miteinander, wobei die Enden der Glasfasern
gegeneinander axial ausgerichtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Endflächen
der Glasfasern miteinander in Kontakt gebracht und mittels eines elektrischen Lichtbogens verschweißt
werden, wobei der Lichtbogen in der Ebene der Endflächen angeordnet und bewegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen mit Hilfe eines
Magnetfeldes bewegt wird, wobei das Magnetfeld oder das elektrische Feld des Lichtbogens zeitlich
verändert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein Lichtbogen
niedrigerer, zum Anhaften der Faserenden ohne zum Verschmelzen ausreichender Energie, und
sodann ein Lichtbogen größerer, zum Verschmelzen der Faserenden ausreichender Energie angewendet
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen niedrigerer Energie
während einer Zeitdauer von 5 bis 10 Sekunden angewendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserenden während der Anwendung
des Lichtbogens niedrigerer Energie aneinandergedrückt werden.
6. Verfahren iiach den Ansprüchen I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ei Jflächen vor dem
Inkontaktbringen mit eirem Lichtbogen gereinigt werden.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die
Halterungen für die Glasfasern (12,14; 67,68) je eine
Rille (16, 18; 80) aufweisen und zum gegenseitigen Ausrichten der Rillen (16, 18; 80) gegeneinander
beweglich sind und daß die Elektroden (34, 36; 87, 86) für den Lichtbogen zwischen den Halterungen
beweglich angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß Mittel zur gleichzeitigen Hin- und Herbewegung der Elektroden in Richtung der
Faserlängsachsen vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in jede Rille zylindrische Permanentmagnete
(73, 74, 75, 76, 77) eingelegt sind und im Zwischenraum zwischen drei Permanentmagneten
(73,74.77) je eine Faser eingelegt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete mit
einer das Zerkratzen der Fasern verhindernden Schutzschicht (78) überzogen sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Fasern (12, 14) mittels Blattfedern (16, 28) in den Rillen (16, 18) gehalten
sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9oder I !,dadurch
gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Magnete (oberer/mittlerer Magnet 77) an einer beweglichen
Andruckfeder (81,82) angebracht ist.
13. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche I bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß für
die Lichtbogenführung an der Faserendensloöstelle ein Paar Llektromagnete (96,97) vorgesehen sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektroden (86, 87) ein in der Ebene der Endflächen der Glasfasern liegendes,
abgeflachtes, axtförmiges Stück aufweisen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (34,36) an eine
Gleichstromquelle (50) angeschlossen sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (86, 87) an eine
Wechselstromquelle (99) und die Elektromagneten (96, 97) an eine Gleichstromquelle (98) — oder
umgekehrt — angeschlossen sind.
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