DE3630163A1

DE3630163A1 - Zentriervorrichung zum zentrieren von lichtleiter-fasern waehrend des schweissens

Info

Publication number: DE3630163A1
Application number: DE19863630163
Authority: DE
Inventors: Karl Olof Pers
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1985-09-13
Filing date: 1986-09-04
Publication date: 1987-03-26
Anticipated expiration: 2006-09-05
Also published as: DE3630163C2; GB8620934D0; JPH07101247B2; SE8504258L; SE8504258D0; US4765704A; SE453334B; NL193292B; GB2180366A; NL193292C; GB2180366B; NL8602267A; CA1272373A; JPS6265004A

Description

Die Erfindung betrifft eine Zentriervorrichtung zum Zentrieren von Lichtleiter-Fasern während des Schweissens und umfasst einen Halter für eine erste Lichtleiter-Faser, sowie einen Halter für eine zweite Lichtleiter-Faser, mittels deren Hilfe die Enden der Fasern an ihrer Kontaktstelle relativ zueinander zentriert werden können, sowie eine Lichtkopplungsvorrichtung zur Kopplung von Licht einer gewünschten Wellenlänge durch die Umkleidung der ersten Faser und zur Auskopplung von Licht dieser Wellenlänge durch die Umkleidung der zweiten Faser, bei welcher die optische Faser in der Lichtkopplungsvorrichtung mit einem Radius gekrümmt gehalten werden kann, der von der Wellenlänge abhängt, so dass Licht durch die Kontaktstelle für die Fasern geschickt werden kann, um eine optische Erfassung zu ermöglichen, ob die Fasern konzentrische Kerne aufweisen.

Das Spleissen von Lichtleiter-Fasern wird häufig dadurch erschwert, dass die Fasern nicht zentrisch in der Faserumkleidung liegen. In einem solchen Falle werden, wenn die beiden Faserenden, die ausgehend von der Aussenfläche der Umkleidung zentriert sind, zusammengeschweisst werden, die Kerne relativ zueinander verschoben, mit dem Ergebnis, dass die Spleissung ein durchgeschicktes Lichtsignal stark abschwächt. Diese Schwierigkeit ist besonders offensichtlich bei sogenannten Einmoden-Fasern, die einen sehr schmalen Kern und eine verhältnismässig schwere Umkleidung aufweisen. Um eine gute Zentrierung zu ermöglichen, kann ein Lichtsignal von einer Faser durch die Kontaktstelle der Fasern zur anderen Faser geschickt werden, wobei das Lichtsignal in einer in beispielsweise der britischen Patentanmeldung 21 15 948 beschriebenen Weise erfasst wird. Diese Veröffentlichung offenbart eine Vorrichtung, bei welcher die Faser in der Nachbarschaft der Kontaktstelle mit einem kleinen Krümmungsradius gebogen ist, so dass Licht an den Biegungsstellen in die Faser eingekoppelt und aus dieser ausgekoppelt werden kann. Die Vorrichtung hat den Nachteil, dass die Grundwellenform des Lichtes wie auch Wellenformen (Moden) höherer Ordnung während des Zentriervorganges erfasst werden. Dies kann dazu führen, dass die Fasern ungeachtet der Erfassung relativ zueinander seitlich verschoben gehalten werden, so dass eine nicht ordnungsgemässe Spleissung erhalten wird.

Die vorausgehend aufgeführten Schwierigkeiten werden durch die Erfindung mittels einer Vorrichtung gelöst, bei welcher allein die Licht-Grundwellenform erfasst wird. Dies wird mittels einer Vorrichtung erreicht, die gekennzeichnet ist durch die in den anliegenden Ansprüchen festgelegten Merkmale.

Die Erfindung wird anschliessend anhand der Zeichnungen erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemässe Zentriervorrichtung zur Zentrierung von Lichtleiter-Fasern,

Fig. 2 ein Diagramm, das die Energieverteilung der Licht-Grundwellenform in einer optischen Einmoden-Faser darstellt, und

Fig. 3 ein Diagramm einer Energieverteilung in einer Faser, bei welcher sowohl die Grundwellenform als auch die Wellenform zweiter Ordnung gemeinsam vorliegen.

Es wird nunmehr auf den besten Modus zur Durchführung der Erfindung Bezug genommen. In Fig. 1 ist eine erfindungsgemässe Zentriervorrichtung zum Zentrieren zweier Lichtleiter-Fasern dargestellt, die miteinander verschweisst werden sollen. Eine erste Lichtleiter-Faser (1) wird an einem Ende durch einen Halter (2) gehalten. Dieser Halter liegt relativ zu einer Basis (3) fest, die in der Figur durch einen unter dem Halter (2) liegenden gestrichelten Bereich angegeben ist. Eine zweite Lichtleiter-Faser (4) wird an einem Ende durch einen Halter (5) gehalten. Dieser Halter ist relativ zur Basis (3) beweglich, was in der Figur durch zwei am Halter angebrachte, sich kreuzende Pfeile dargestellt ist. Der Halter (5) kann dreidimensional verschoben werden, so dass die Enden der Lichtleiter-Fasern (1, 4) gegeneinander und relativ zueinander zur Zentrierung an einer Kontaktstelle (6) bewegt werden können. Ist die zentrierte Stellung erreicht worden, so werden die Lichtleiter-Fasern mit Hilfe von Elektroden (7) miteinander verschweisst. Letztere sind in nicht dargestellter Weise mit einer Spannungsquelle verbunden, so dass zwischen den Elektroden ein elektrischer Lichtbogen entsteht, der die Enden der beiden Lichtleiter-Fasern zusammen verschmilzt.

Die Lichtleiter-Fasern, für die die erfindungsgemässe Zentriervorrichtung in erster Linie bestimmt ist, sind sogenannte Einmoden-Fasern, die einen sehr schmalen Kern aufweisen. Beispielsweise sei erwähnt, dass Einmoden-Fasern, die für eine Wellenlänge Lambda = 1,3 µm bestimmt sind, einen Kerndurchmesser von etwa 8 µm haben, wohingegen Mehrmoden-Fasern einen Kerndurchmesser in der Grössenordnung von 100 µm aufweisen. Beim Schweissen von Einmoden-Fasern besteht das strenge Erfordernis, dass die Faserenden relativ zueinander gut zentriert sind, damit eine geschweisste Spleissung mit einer geringen Signalabschwächung erhalten werden kann. Die gewünschte gute Zentrierung kann mittels Licht erhalten werden, das von der ersten Lichtleiter-Faser (1) durch die Kontaktstelle (6) zur zweiten Lichtleiter-Faser (4) geschickt wird, in welcher die Lichtstärke gemessen wird. Aus praktischen Gründen ist es erwünscht, das Licht in die Fasern in der Nachbarschaft der Kontaktstelle ein- und auszukoppeln. Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung gemäss Fig. 1 eine Lichtkopplungsvorrichtung (8, 9) bekannter Ausbildung auf. Die Lichtkopplungsvorrichtung (8) zum Einkoppeln von Licht in die Lichtleiter-Faser (1) umfasst eine Kammer (10) mit einer Lichtquelle (11), beispielsweise einer Leuchtdiode (LED) und einen Zylinder (12), um den die Faser umgebogen ist. Die Lichtkopplungsvorrichtung (9) zum Auskoppeln von Licht aus der Faser (4) umfasst eine Kammer (13) mit einem Lichtsensor (14) und einem Zylinder (15), um die die Faser ungebogen ist. Die Zylinder (12, 15) haben einen Radius (R ₁), der ausreichend gross sein muss, damit die Fasern durch dieses Umbiegen nicht beschädigt werden. Andererseits muss der Radius (R ₁) ausreichend klein sein, so dass eine ausreichende Lichtmenge in die Lichtleiter-Faser (1) eingekoppelt und aus der Lichtleiter-Faser (4) ausgekoppelt werden kann. Bei Laborversuchen wurde gefunden, dass diesbezüglich ein brauchbares Gleichgewicht für den Radius (R ₁) im Bereich von 2 bis 4 mm und vorzugsweise bei R ₁ = 3,0 mm für die vorausgehend erwähnte Einmoden-Faser liegt, wobei der Kerndurchmesser d = 8 µm. Der Lichtsensor (14) sendet ein elektrisches Signal (U) zu einem Messinstrument (16), wobei sich der Wert des Signals (U) verändert, wenn die Enden der Lichtleiter-Fasern (1, 4) in der vorausgehend beschriebenen Weise relativ zueinander verschoben werden. Erreicht dieses Signal seinen maximalen Wert, so werden die Enden der Lichtleiter-Fasern (1, 4) an der Kontaktstelle (6) miteinander verschweisst.

Die beispielsweise vorausgehend aufgeführte Einmoden-Faser mit einem Kerndurchmesser d = 8 µm ist, wie erwähnt, für Licht mit der Wellenlänge Lambda = 1,3 µm bestimmt. Nur die Licht-Grundwellenform kann bei dieser Wellenlänge in der Faser existieren. Eine Kurve (A) in Fig. 2 gibt an, wie die Lichtenergie für diese Grundwellenform sich symmetrisch über den Querschnitt der Faser verteilt. In der Figur gibt (E) den Energiepegel, (r) die Stellung längs eines Faserdurchmessers und (d) den Faserdurchmesser im Einklang mit obigen Ausführungen an. Jedoch ist Licht mit einer Wellenlänge von Lambda = 1,3 µm mittels der vorausgehend beschriebenen Lichtkopplungsvorrichtung (8) schwierig in die Faser einzukoppeln. Das das Messinstrument (16) über die Lichtkopplungsvorrichtung (9) erreichende Licht ist daher sehr schwach. Darüber hinaus senden die verfügbaren Sensoren für Licht mit der Wellenlänge Lambda = 1,3 µm selbst ein verhältnismässig starkes Störsignal, das die Messung beeinträchtigt. Diese aufgeführten Nachteile können durch Verwendung von Licht kürzerer Wellenlänge, vorzugsweise Licht mit einer Wellenlänge von Lambda innerhalb des Bereiches von 0,7 bis 0,9 µm vermieden werden. Bei Verwendung der Lichtkopplungsvorrichtung (8, 9) gemäss Fig. 1 wird Licht mit dieser kürzeren Wellenlänge leicht in eine Lichtleiter-Faser ein- und von dieser ausgekoppelt. Die Lichtquelle (11) ist für diese kürzere Wellenlänge geeignet, so dass ein starkes Lichtsignal (I ₁) in der Lichtleiter-Faser (1) erhalten wird. Ein relativ starkes Lichtsignal (I ₄) in der Lichtleiter-Faser (2) erreicht die Lichtkopplungsvorrichtung (9), die einen grossen Anteil des Lichtsignals zum Lichtsensor (14) auskoppelt. Dieser Sensor, der sich für die Wellenlänge Lambda = 0,85 µm eignet, hat einen niedrigen Störpegel, der es in Verbindung mit der guten Lichtquelle gestattet, dass das Signal (U) mit guter Genauigkeit gemessen werden kann. Die Lichtwellenlänge Lambda = 0,85 µm für das Lichtsignal (I ₁) ist kleiner als die Wellenlänge Lambda = 1,3 µm, für welche sich die Einmoden-Fasern (1, 4) eignen. Dies führt dazu, dass das Lichtsignal (I ₁) neben der Grundwelle auch Wellenformen höherer Ordnung aufweisen kann. Eine Kurve (B) in Fig. 3 stellt ein Beispiel einer Energieverteilung über den Querschnitt der Lichtleiter-Faser dar, wenn die Grundwellenform und eine Wellenform zweiter Ordnung gleichzeitig vorliegen. In der Kurve gibt (P) den Energiepegel, (r) die Stellung längs eines Durchmessers der Faser und (d) den Kerndurchmesser der Faser an. Die Kurve (B) ist asymmetrisch und hat ihren grössten Wert (P ₁) stark, bezüglich der Mittelachse des Faserkerns, seitlich verschoben. Wird Licht mit dieser asymmetrischen Energieverteilung für die Zentrierung der Lichtleiter-Fasern (1, 4) verwendet, so tritt ein maximaler Lichtenergiefluss durch die Kontaktstelle (6), wenn die Kerne der beiden Lichtleiterfasern (1, 4) relativ zueinander seitlich verschoben sind. Dies führt dazu, dass das Signal (U) einen maximalen Wert erreicht, wenn die Faserkerne relativ zueinander seitlich verschoben sind, so dass eine nicht ordnungsgemässe Faserspleissung mit hoher Abschwächung der Grundwellenform gemäss Fig. 2 erhalten wird. Um diese nicht ordnungsgemässe Spleissung der Fasern zu vermeiden, weist die Vorrichtung nach Fig. 1 erfindungsgemäss Modenfilter auf. Diese umfassen einen Zylinder (17), um den die Lichtleiter-Faser (1) gebogen ist, sowie einen Zylinder (18), um den die Lichtleiter-Faser (4) gebogen ist. Die Zylinder haben einen Radius (R ₂), der grösser als der Radius (R ₁) für die Zylinder der Lichtkopplungsvorrichtungen (8, 9) ist. Der Radius (R ₂) ist derart gewählt, dass die Licht-Grundwellenform in der Faser am Modenfilter hindurchtreten kann, während Wellenformen höherer Ordnung aus der Faser ausgekoppelt werden. Aus Berechnungen und Laborversuchen hat sich ergeben, dass ein geeigneter Wert für den Radius (R ₂) im Bereich von 4 bis 6 mm und vorzugsweise bei R = 5,0 mm liegen sollte. Dieser Wert des Radius (R ₂) gilt für eine Lichtleiter-Faser mit einem Kerndurchmesser d = 8,0 µm und einer Lichtwellenlänge Lambda = 0,85 µm. Damit das Modenfilter wirksam Wellenformen höherer Ordnung ausfiltert, müssen die Lichtleiter-Fasern (1, 4) jeweils um die Zylinder (17, 18) über einen ausreichend grossen Sektor (Alpha) umgebogen werden. Jedoch muss aus praktischen Gründen dieser Sektor begrenzt sein und ein brauchbarer Sektor besteht gemäss Fig. 1 aus einer halben Windung. Die Modenfilter arbeiten in der nachfolgend beschriebenen Weise. Das in die Lichtleiter-Faser (1) durch die Lichtkopplungsvorrichtung (8) eingekoppelte Lichtsignal (I ₁) enthält sowohl die Grundwellenform als auch Wellenformen höherer Ordnung. Tritt das Signal (I ₁) durch das Modenfilter (17) hindurch, so wird ein Signal (I′₁) aus der Lichtleiter-Faser (1) ausgekoppelt, wobei dieses Signal im wesentlichen Wellenformen höherer Ordnung enthält. Nach dem Modenfilter (17) ist ein Signal (I ₂) in der Lichtleiter-Faser (1) vorhanden, das hauptsächlich die Licht-Grundwellenform enthält. Tritt dieses Licht durch die Kontaktstelle zwischen den Lichtleiter-Fasern (1, 4) hindurch, so erfolgt eine Neuverteilung der Lichtenergie derart, dass ein Signal (I ₃) in der Lichtleiter-Faser (4) sowohl die Licht-Grundwellenform und Wellenformen höherer Ordnung aufweist. Tritt das Signal (I ₃) durch das Modenfilter (18), so wird ein Signal (I′₃), das im wesentlichen Wellenformen höherer Ordnung aufweist, aus der Lichtleiter-Faser (4) ausgekoppelt. Nach dem Modenfilter (18) ist ein Signal (I ₄) vorhanden, das im wesentlichen in der Lichtleiter-Faser (4) die Licht-Grundwellenform aufweist. Dieses Signal wird aus der Lichtleiter-Faser (4) ausgekoppelt und in der vorausgehend beschriebenen Weise gemessen. Der auf diese Weise erhaltene Messwert hängt nur von der Licht-Grundwellenform in den Fasern ab und weist einen Maximalwert auf, wenn die Kerne der Lichtleiter-Fasern (1, 4) konzentrisch zueinander sind. Werden die Enden der Lichtleiter-Fasern zusammengeschweisst, wird somit eine Spleissung erhalten, die die Grundwellenform so wenig wie möglich dämpft.

Claims

1. Zentriervorrichtung zum Zentrieren von Lichtleiter-Fasern während des Schweissens, mit einem Halter für eine erste Lichtleiter-Faser und einem Halter für eine zweite Lichtleiter-Faser, mittels deren Hilfe die Enden der Lichtleiter-Fasern relativ zueinander an einer Kontaktstelle zentriert werden können, mit einer Lichtkopplungsvorrichtung zum Einkoppeln von Licht einer gewünschten Wellenlänge durch die Umkleidung der ersten Faser zu ihrem Kern, und zum Auskoppeln von Licht dieser Wellenlänge aus dem Kern der zweiten Lichtleiter-Faser durch deren Umkleidung, wobei die Lichtleiter-Faser in der Lichtkopplungsvorrichtung mit einem von der Wellenlänge abhängigen Radius umgebogen gehalten werden kann, so dass Licht durch die Kontaktstelle für die Lichtleiter-Fasern geschickt werden kann, um auf optische Weise zu erfassen, ob die Fasern konzentrische Kerne haben, dadurch gekennzeichnet, dass ein Modenfilter (17, 18) in mindestens einer der Lichtleiter-Fasern (1, 4) zwischen der Kontaktstelle (6) und der Lichtkopplungsvorrichtung (8, 9) derart angeordnet ist, dass die Lichtleiter-Faser (1, 4) über einen Sektor (alpha) mit einem den Radius (R ₁) überschreitenden Biegungsradius (R ₂) gebogen gehalten werden kann, der von der gewünschten Wellenlänge abhängt, so dass von den in den Kernen der Fasern (1, 4) vorliegenden Lichtschwingungswellenformen die Grundwellenform im wesentlichen unbeeinflusst durch das Modenfilter (17, 18) hindurchtritt, während Wellenformen höherer Ordnung aus den Lichtleiter-Fasern ausgekoppelt werden, so dass die Erfassung der Lichtgrundwellenform zur Zentrierung der Faserkerne verwendet wird.

2. Zentriervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die gewünschte Lichtwellenlänge innerhalb eines Bereiches von 0,7 bis 0,95 µm liegt und der von der Wellenlänge abhängige Radius innerhalb eines Bereiches von 2 bis 4 mm liegt, dadurch gekennzeichnet, dass im Modenfilter der Krümmungsradius (R ₂) der Lichtleiter-Faser in einem Bereich von 4 bis 6 mm liegt.

3. Zentriervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sektor (alpha), innerhalb welchem die Lichtleiter-Faser gebogen gehalten werden kann, einen vollständigen Halbkreis umfasst.