DE3883552T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von mit Linsen endenden optischen Fasern. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen optischer Fasern mit Linsen.
• Optische Fasern können gekoppelt werden, indem ihre Enden in Linsen geschmoizen und die Linsen in Ausrichtung und einen vorbestimmten Abstand gebracht werden. Eine Linse kann geformt werden, indem die Spitzen eines Paares Elektroden auf entgegengesetzten Seiten eines Faserendbereichs angeordnet werden und ein Lichtbogen zwischen den Elektroden erzeugt wird, der den Faserendbereich in eine Linse schmilzt. Frühe Experimente bei der Anmelderin umfaßten die Erzeugung eines Gleichstrom-Lichtbogens konstanten Stroms bei einer Stromamplitude, die für eine Zeitdauer anhielt, die zu einer Linse führte, deren Durchmesser größer als 25 % des Faserdurchrnessers war. Während die auf diese Weise erzeugte Linse dazu in der Lage war, Licht von einer optischen Faser in eine andere zu koppeln, war ihre mechanische Zuverlässigkeit nicht so groß wie erhofft. Man fand, daß die in Linsenform gebrachte Faser einen schwachen Fleck hatte, der eine kurze Strecke hinter der Wurzel der Linse lag, wo eine hohe Wahrscheinlichkeit für das Brechen der Faser bestand. In Zugtests beispielsweise erwies sich die Zugkraffstärke der Faser unmittelbar hinter der Linse als nur 40 % der Zugkraftstärke des restlichen Teils der Faser. Auch konnten mehrfache mikroskopische Risse in der Linsenoberfiäche beobachtet werden, die Feuchtigkeit absorbieren und Brüche in der Linse verursachen konnten.
• Die Verwendung eines elektrischen Lichtbogens zum Schmelzen der Faser in eine Linse war anfangs nach dem Vorbild der Verwendung elektrischer Lichtbögen beim Schmelzen der Enden aneinanderstoßender optischer Faser zu deren Spleißen gestaltet. Beim Spleißen werden die Faserenden jedoch lediglich erweicht mit minimaler Deformation, anstatt sie in Ballen zu schmelzen, und beim Spleißen spielen Probleme keine Rolle hinsichtlich einer starken Schwächung der Faser hinter den gespleißten Enden oder hinsichtlich der Entwicklung von Rissen, die einen Schaden des Faserendes verursachen können.
• Zum Spleißen kann man einen Lichtbogen von einigen Milliampere für eine Zeitdauer von vielleicht zwei Sekunden anwenden, um die Enden der aneinanderstoßenden Fasern zu deren Spleißen zu erweichen. Ein Wechselstrombogen, der eine niedrige Frequenz aufweisen kann, mag angewendet werden, um einen gleichförmigeren Lichtbogen zu erzeugen. Wenn eine ähnliche Einstellung verwendet wurde bei dem Versuch, eine optische Faser in eine Linse zu schmelzen, jedoch mit einem höheren Strom, erwies sich die in Linsenform gebrachte Zone als recht brüchig und als beträchtliche Risse aufweisend.
• Aus der DE-A-3 407 413 war es bereits bekannt, eine optische Faser mit einer angefügten Linse vorzusehen, wobei eine Ballenlinse an einem Ende des Glasstabes gebildet wird, dessen anderes Ende an einer optischen Faser befestigt wird. Die Ballenlinse wird vorzugsweise dadurch erzeugt, daß ein Glasstab einer hochfrequenten Lichtbogenentladung von etwa 10 bis 50 kHz ausgesetzt wird.
• Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verwendung einer elektrischen, hochfrequenten Lichtbogenentladung zum Zweck des Schmelzens eines Faserendbereiches in eine Linse, die mit einer Linse versehene Fasern mit hoher Festigkeit und glatten Oberflächen mit einer minimalen Menge Risse erzeugt, wären von beträchtlichem Wert, und die vorliegende Erfindung ist auf ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung gerichtet, die einfach und dennoch sehr wirksam sind.
• Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren verfügbar gemacht zur Bildung einer Linse an dem Ende einer optischen Faser, mit den Schritten des Positionierens des Endes der optischen Faser zwischen einem Paar Elektroden, des Erzeugens eines elektrischen Bogens zwischen den Elektroden zum Zweck des Schmelzens des Endes der optischen Faser, um eine Linse zu schaffen, die einen Durchmesser aufweist, der größer als deijenige der optischen Faser ist, und des danach wiederholten Beendens und Neustartens des Bogens mehrere tausend Male pro Sekunde, aufweisend den Schritt des Variierens des Bogenstroms im wesentlichen sinusförmig für eine vorbestimmte Zeitdauer, um das geschmolzene Ende der optischen Faser in Vibration zu versetzen und dennoch die Erzeugung von Harmonischen zu vermeiden und dadurch die Qualität der Linse zu verbessern, wobei der Schritt des Erzeugens eines Lichtbogens die Lieferung einer Serie von Impulsen an die Primärseite eines Transformators umfaßt, wobei eine Seite der Sekundärseite des Transformators über einen Kondensator an die andere Seite der Sekundärseite über einen den Bogen umfassenden Weg gekoppelt wird; wobei der Kondensator und der Transformator eine Resonanzschaltung bilden und die Frequenz der Impulse im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung ist.
• Das zeitliche Integral des Lichtbogenstroms kann abgefühlt und die Dauer der Impulse kann variiert werden, um einen vorbestimmten durchschnittlichen Bogenstrom aufrecht zu erhalten.
• Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung verfügbar gemacht zum Formen eines Endes einer optischen Faser in eine Linse, umfassend ein Paar Elektroden mit beabstandeten Spitzen, einer Einrichtung zum Halten des Faserendes zwischen den Elektrodenspitzen, eine zwischen die Elektroden gekoppelte Schaltungseinrichtung, um diesen Elektrizität zuzuführen, die zwischen den Elektroden spitzen einen Lichtbogen mit einer Intensität und Dauer erzeugt, die zum Schmelzen des Faserendes in eine Linse führen, deren Durchmesser größer ist als derjenige der Faser, wobei die Schaltungseinrichtung ausgelegt ist zum Initiieren eines Bogens zwischen den Elektrodenspitzen und zum nachfolgenden wiederholten Beenden und Neu starten des Bogens mit einer Rate von mehreren tausend Malen pro Sekunde, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtung ausgelegt ist zum Variieren des Bogenstroms im wesentlichen sinusförmig, um die Erzeugung von Harmonischen zu verhindern, und daß die Schaltungseinrichtung aufweist: Einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, wobei die Sekundärwicklung erste und zweite Anschlüsse aufweist, eine Einrichtung zum Anlegen von Impulsen an die Primärwicklung; eine Einrichtung zum Definieren eines Kondensators, welcher den ersten Anschiuß der Sekundärwicklung mit einer der Elektroden koppelt; eine Einrichtung, welche die andere der Elektroden mit dem zweiten Anschluß der Sekundärwicklung koppelt, wobei die Induktivität der Sekundärwicklung und die reflektierte Induktivität der Primärwicklung zusammen mit der Kapazität eine Resonanzschaltung einer vorbestimmten Resonanzfrequenz definieren und die Einrichtung zum Anlegen von Impulsen ausgelegt ist, um Impulse mit einer Rate im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz anzulegen.
• Die Verwendung einer sinusförmigen Bogenentladung vermeidet die Erzeugung von Harmonischen, die eine Frequenz in der Nähe einer Resonanzbetriebsart der optischen Faser haben können, und speziell des geschmolzenen Glases, wenn es in eine Linse geformt wird.
• Die neuen Merkmale der Erfindung werden insbesondere im Hinblick auf die beigefügten Ansprüche erläutert. Die Erfindung versteht man am besten aus der folgenden Beschreibung heraus, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Fig. 1 zeigt eine teilweise perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Formung einer Linse einer optischen Faser.
• Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht eines Teils der Vorrichtung nach Fig. 1, wobei die optische Faser zwischen drei Stufen der Herstellung einer daran befindlichen Linse gezeigt wird.
• Fig. 3 ist eine grafische Darstellung, welche die zeitliche Änderung des Stroms für den Lichtbogen der Fig. 2 zeigt.
• Fig. 4 ist ein vereinfachtes schematisches Schaltungsdiagramm der Vorrichtung nach Fig. 1.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Fig. 1 zeigt ein System 10, das zum Bilden einer Linse 12 an dem Ende einer optischen Faser 14 verwendet werden kann. Die Faser wird durch ein Langloch 16 eines Kontaktes 18 eingeführt und an Ort und Stelle fixiert, wobei ein Endbereich der Faser etwa gleichauf mit der Spitze 20 des Kontaktes liegt. Der Kontakt hat eine über-
• kreuzende Öffnung 22 in der Nähe seines Endes, in der der größte Teil des Faserendbereichs liegt. Ein Paar Elektroden 24, 26 ist auf entgegengesetzten Seiten des Endbereichs der optischen Faser positioniert, in Ausrichtung mit der überkteuzenden Öffnung. Eine elektrische Quelle 30 wird aktiviert, um eine Spannung zwischen den Elektroden zu erzeugen, die in der Bildung eines elektrischen Bogens 32 zwischen den Spitzen der Elektrode resultiert, der über den Faserendbereich verläuft, um diesen zu schmelzen. Danach kann der Kontakt 18 mit der mit Linse versehenen Faser daran mit seiner Spitze 20 in Anlage an einen anderen Kontakt gebracht werden, um Licht von einer Faser in einem Kontakt in die Faser in dem anderen Kontakt zu koppeln.
• Fig. 2 zeigt einen Endbereich 34 einer optischen Faser während des Prozesses von dessen Bildung in eine Linse. Die optische Faser bei 14A wird mit ihrem äußersten vorderen Ende 36 etwas oberhalb der Stelle bei 32 positioniert, wo der hellste Bereich des Lichtbogens auftritt. Der Lichtbogen wird zwischen einem Paar Elektroden-spitzen 40, 42 erzeugt und schmilzt anfangs eine Stelle 44 unterhalb der Faserspitzte, um die Faser in die Konfiguration 14B zu versetzen. Die Spitze der Faser fällt in den geschmolzenen Ball, während der Ball absteigt und größer wird, bis er die bei 12 gezeigte Position erreicht. Der Bogen wird zu oder kurz vor dieser Zeit gestoppt, und der geschmolzene Ball aus Glas wird hart, um die Linse 12 zu bilden. Die drei gebräuchlichsten Größen für optische Fasern sind 125 um (Mikrometer), 140um und 250 um, wobei die Linsen einen Durchmesser aufweisen, der etwa 50 % größer ist als der Durchmesser der optischen Faser.
• Elektrische Bögen sind verwendet worden, um Paare von optischen Fasern zu spleißen, indem die Fasern erhitzt worden sind, während ihre Enden sich berühren, um diese miteinander zu verschmelzen. Es wurde dann versucht, mit solchen Bögen die Enden optischer Fasern ausreichend zu schmelzen, um Linsen daran zu erzeugen. Zunächst wurden Gleichstrombögen verwendet, die schwer zu steuern sind, und dann wurden Bögen mit einer relativ niedrigen Frequenz von beispielsweise 60 Hz verwendet.
• Man fand, daß optische Fasern mit Linsen, die durch diese Verfahren gebildet wurden, geschwächt waren und fehlerhafte Linsenoberflächen aufwiesen. Die Anmelderin bildete dann Linsen mit der elektrischen Quelle, die modifiziert ist, um zunehmend höhere Frequenzen zu erzeugen.
• Man fand, daß Lichtbögen, die bei Frequenzen von mehreren kHz wiederholt unterbrochen und wiedererzeugt wurden, Fasern mit Linsen erzeugten, die stärker in der Nähe der Linse waren und die eine Oberfläche mit weniger Rissen aufwiesen. Man fand, daß eine noch weitere Erhöhung der Bogenfrequenz auf über 10 kHz und bis zu 40 kHz ........ bis 75 kHz zu einer Verbesserung der Stärke der mit Linse versehenen Faser und der Qualität der Linse führten. Bei einer Wechselstromfrequenz von 75 kHz, wobei der Bogen mit einer Rate von 150 kHz wiederholt initiiert und beendet wurde, betrug die Zugfestigkeit der mit Linse versehenen Faser 80 % der Zugfestigkeit einer Faser ohne eine Linse. Die Zone in oder unmittelbar hinter der Wurzel der Linse erwies sich als nicht brüchig und brach nicht ab, wenn die Linse leicht seitwärts gedrückt wurde, was auftrat bei Linsen, die mit einem Gleichstrombogen oder einem niederfrequenten Bogen erzeugt worden waren. Es zeigte sich, daß die tatsächlich verwendete Schaltungsanordnung zunehmend höhere Verluste und Erwärmung erzeugte, wenn sie bei zunehmend höheren Frequenzen benutzt wurde, und 75 kHz erwiesen sich als zufriedenstellend, da sie eine Faser mit Linse hoher Stärke und guter Oberfläche erzeugten mit einer Schaltung lediglich bescheidener Verluste bei dem erforderlichen Effektivstromwert von etwa 20 Milliampere (etwa halb soviel Strom wird verwendet, wenn der Faserendbereich nicht in der überkreuzenden Öffnung eines Kontaktes liegt).
• Für eine optische Faser mit Durchmessern im Bereich von 0,127 mm bis 0,254 mm (0,005 Inch bis 0,010 Inch), wie oben beschrieben, erwiesen sich Bogenströme von etwa 10 bis 40 Milliampere (Effektivwert), die für eine Zeitdauer von 3 bis 6 Sekunden andauerten, als wirksam zum Schmelzen der Faser in eine Linse. Ein Abstand S der Elektrodenspitzen von etwa 1,524 mm (0,060 Inch) erwies sich als ein ausreichender Abstand, um das Ansetzen von Glas an den Spitzen zu vermeiden, während es die Möglichkeit gab, eine mäßige Spannung zu verwenden, um den Bogen aufzubauen und zu erhalten. Eine Spannung von etwa 10000 Volt ist erforderlich, um den Lichtbogen zu errichten, und eine Spannung von etwa 700 Volt (Spitze-Spitze) ist erforderlich, um einen Bogenstrom von etwa 20 Milliampere (Effektivwert) aufrecht zu erhalten. Dieser Strombereich ist beträchtlich größer als der für das Spleißen optischer Fasern verwendete, und die Spannung ist ebenfalls größer (wegen eines größeren Elektrodenabstandes).
• Wären eine niedrige Spannung und ein niedriger Strom ausreichend, könnte eine Hochfrequenzquelle durch einen Sinuswellenoszillator geschaffen werden, dessen Ausgangsspannung dadurch erhöht werden kann, daß sie durch einen Transformator gelangt (mit einer entsprechenden Verringerung des Stroms). Wenn eine Energieabgabe höherer Frequenz erforderlich ist, umfaßt eine einfache Elektrizitätsquelle eine Gleichstrom-Spannungsquelle, deren Ausgang wiederholt an die Elektroden angeschlossen und von diesen abgetrennt wird, um eine Folge von Impulsen oder Rechteckwellen der gewünschten Frequenz, beispielsweise 75 kHz, zu erzeugen. Die Ausgangsspannung kann angehoben werden, beispielsweise auf 700 Volt, indem sie durch einen Transformator geschickt wird, und eine hohe bogenauslösende Spannung, beispielsweise von 10 kV, kann über einen Spannungsvervielfacher erzeugt werden.
• Während eine Folge von Impulsen einen gesteuerten Lichtbogen erzeugen kann, der das Ende einer optischen Faser in eine Linse formt, besteht eine Möglichkeit für eine Verschlechterung der Linse. Der Endbereich der optischen Faser hat wie viele andere Vorrichtungen Resonanzbetriebszustände, bei denen er starke Vibrationen erfährt, wenn er mit moderaten Amplituden erregt wird. Da die meistgebräuchlichen optischen Fasern und deren Linsen klein sind, treten Resonanzen bei hohen Frequenzen auf Ein Puls, der mit einer vorbestimmten Frequenz wie 75 kHz wiederholt wird, erzeugt Harmonische großer Amplituden über einen weiten Frequenzbereich. Es besteht eine beträchtliche Möglichkeit, daß eine dieser Harmonischen großer Amplitude dicht bei einer Resonanzfrequenz der optischen Faser liegt. Dies könnte besonders schädlich sein, wenn eine starke Harmonische in der Nähe einer Resonanzfrequenz des geschmolzenen Glasballs während dessen Härtung in eine feste Linse liegt, da dies Oberflächenwellen oder andere Störungen der Linse verursachen könnte, die deren Leistungsfähigkeit verschlechtern könnten. Die Anmelderin vermeidet das Auftreten zahlreicher hochfrequenter Komponenten in dem Lichtbogen durch Verwendung eines Bogens, der die meiste Zeit im wesentlichen sinusförmig ist, besonders in der Nähe des Endes der Zeitdauer des Bogens. Eine sinusförmige Welle hat keine Harmonsichen und eine im wesentlichen sinusförmige Welle hat Harmonische sehr niedriger Amplitude, was starke Vibrationen der optischen Faser selbst dann vermeidet, wenn diese bei einer Resonanzfrequenz der optischen Faser auftreten.
• Fig. 3 zeigt eine Wellenform 50, welche die zeitliche Anderung des Bogenstroms der Anmelderin darstellt und zeigt, daß der Strom sich im wesentlichen sinusförmig ändert, um die Amplitude von Harmonischen minimal zu machen. Man beachte, daß über zahreiche Tests hinweg, die an optischen Fasern mit Durchmessern im Bereich von etwa 0,127 mm bis 0,254 mm (0,005 Inch bis 0,010 Inch) durchgeführt wurden, keine Resonanzen beobachtet oder schädliche Effekte gefünden wurden für Bogenfrequenzen von etwa 75 kHz.
• Fig. 4 ist ein vereinfachtes Schaltungsdiagramm, das zeigt, wie die Anmelderin dazu in der Lage ist, einen im wesentlichen sinusförmigen hochfrequenten Lichtbogen beträchtlicher Spannung und beträchtlichen Stroms zu erzeugen, und zwar unter Verwendung einer Schaltungsanordnung mit relativ niedrigen Kosten. Die Schaltung umfaßt eine Gleichspannungsquelle 69 mit geringer Welligkeit, wie man sie durch Gleichrichten des gewöhnlich erhältlichen Stroms mit einer Spannung von 110 Volt und einer Frequenz von 60 Hz erhält, und durch deren teilweises Glätten, alles in einer Schaltung eines relativ einfachen, wohlbekannten Typs. Der Ausgang der Quelle 60 ist mit einem Anschluß 62 der Primärwicklung 64 eines Transformators 66 verbunden. Zwei andere Anschlüsse 70, 72 der Primärwicklung sind über Schalter 74, 76 mit Masse 78 verbunden. Die Sekundärwicklung 80 des Transformators weist einen Anschluß 82 auf, der geerdet ist, und einen anderen Anschluß 84, der über einen Kondensator 86 an eine der den Bogen erzeugenden Elektroden 24 angeschlossen ist. Die andere Elektrode 26 ist über einen Lastwiderstand 88 bei 78 mit Erde verbunden oder in anderen Worten mit dem Sekundärwicklungsanschluß 82 verbunden.
• Der Transformator 66 wird nicht nur zur Erhöhung der Spannungseingabe verwendet, sondern seine Induktivität wird auch in Kombination mit der Kapazität des Kondensators 86 zur Bildung einer Resonanzschaltung verwendet, die bei einer vorbestimmten Frequenz in Resonanz geht. Die Induktivität des Transformators ist gleich der Induktivität der Sekundärwicklung 80 und der refiektierten Induktivität der Primärwicklung 64. Wenn der Resonanzschaltung eine Spannung aufgeprägt wird, die dicht bei der Resonanzfrequenz der Resonatorschaltung liegt, wird eine Resonanz erzeugt, die in der Aufrechterhaltung einer relativ hohen Spannung in der Schaltung führt, die sich im wesentlichen sinusfürmig ändert. Der Kondensator 86 wird so gewählt, daß die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung etwa gleich der gewünschten Frequenz, beispielsweise 75 kHz, des Bogens ist, was auch etwa die Frequenz ist, mit welcher die Schalter 74, 76 getaktet werden. Wie zuvor diskutiert, ist das Aufrechterhalten eines im wesentlichen sinusförmigen Stroms in dem Lichtbogen nützlich, um Resonanzen großer Amplitude in der optischen Faser zu vermeiden, wenn sie sich im Zustand des Schmelzens in eine Linse befindet.
• Wenn ein Lichtbogen erzeugt werden soll, muß über den Elektroden eine hohe Spannung wie eine Spannung von 10000 Volt angelegt werden, um die Atmosphäre zu durchbrechen und zu ionisieren. Obwohl der Bogen in Intervallen von etwa 150 kHz erneut erzeugt werden muß, ist eine hohe Spannung nicht zur erneuten Erzeugung des Bogens erforderlich, da die ionisierte Atmosphäre während der kurzen Zeitdauer zwischen der Beendigung und dem erneuten Beginn des Lichtbogens bestehen bleibt. Die Annielderin verwendet einen bekannten Typ einer Spannungsvervielfacherschaltung 90, die vervielfachende Kondensatoren 9L in Reihenschaltung und Teiler 93 zu deren wiederholter Aufladung aufweist, um die Spannung am Punkt 92 (über vielleicht 100 etwa 0,001 s dauernde Zyklen) auf eine Spannung aufzubauen, bei welcher die Atmosphäre zwischen den Elektroden durchbricht, um den Lichtbogen zu erzeugen. Der spezifische Widerstand über dem Lichtbogenspalt 32G wird dann niedrig, was ein weiteres Ansteigen der Spannung verhindert, und der Spannungsvervielfacher 90 erfüllt während des Restes der wenigen Sekunden während des Andauerns des Lichtbogens keinerlei Zweck. Danach erzeugen die sinusförmigen Schwingungen der Resonanzschaltung einen im wesentlichen sinusförmigen Bogenstrom.
• Man beachte, daß die Spannung an dem Sekundärwicklungsanschluß 84 eine Form des Typs hat, wie er bei 100 gezeigt ist, wobei zu Beginn eines positiv gerichteten Impulses die Spannung einen raschen Anstieg bei 102 aufweist. Bei 104 arbeitet dann der Transformator in einer Rücklaufbetriebsart, in welcher seine Induktivität bewirkt, daß die Spannung exponentiell ansteigt. Wenn bei 106 der Eingangsimpuls plötzlich auf null abfällt, nimmt die Transformatorausgangsgröße plötzlich ab und verringert sich dann bei 108 exponentiell gegen null. Eine ähnliche, negativ gerichtete Spannung erscheint während des folgenden negativen Impulses am Eingang des Transformators. Die graphischen Darstellungen 109, 110 zeigen die Eingangsspannung zu entsprechenden Zeiten. Die graphische Darstellung 111 zeigt die Spannung über dem Lichtbogenspalt, die einen anfangs ansteigenden Bereich 112, einen sinusförmigen Bereich 113, der während des größten zeitlichen Teils des Lichtbogens von etwa 5 Sekunden andauert, und einen allmählich abfallenden Bereich 115 aufweist. Der allmählich abfallende Bereich 115 (dessen Abfall von dem "Q" der Resonanzschaltung abhängt) verhindert Resonanzvibrationen in dem geschmolzenen Ball der Faser genau dann, wenn er die Abkuhiung in eine Linse beginnt.
• Um eine jede von vielen optischen Fasern in Linsen zu schmelzen, die alle eine nahezu gleiche Größe aufweisen, ist es erforderlich, daß die "Menge" des Stroms während einer vorbestimmten Zeitdauer, wie 5 Sekunden, für jede Faser gleich ist. Das Integral des Stroms über eine vorbestimmte Zeitdauer könnte sich jedoch ändern, und zwar aufgrund der Unterschiede in den lokalen Bedingungen, wie die Feuchtigkeit der Atmosphäre oder die exakte Placierung einer Faser des Kontaktes relativ zu den Elektroden. Um Gleichförmigkeit sicherzustellen, verwendet die Anmelderin eine Rückkopplungsschaltung 114, um ein vorbestimmtes zeitliches Stromintegral aufrechtzuerhalten.
• Die Rückkopplungsschaltung 114 umfaßt den Widerstand 88 und den Anschluß 115 auf der der Masse entgegengesetzten Seite des Widerstandes, der den Betrag des Bogenstroms mittels der Spannung über dem Widerstand abfühit. Die Spannung bei 115 wird einer integrierenden Schaltung zugeführt, die eine Spannungsausgabe auf Leitung 118 erzeugt, die proportional ist zu dem zeitlichen Integral des Stroms über einer Periode von wenigstens einem Zyklus, die eine 75 Tausendstel Sekunde dauert (oder vorzugsweise einige wenige Zyklen). Die Spannung bei 118 wird einer Differenzschaltung 120 zugeführt, welche die Spannung auf Leitung 118 mit einer auf Leitung 122 gelieferten vorbestimmten Spannung, welche den gewünschten mittleren Strom repräsentiert, vergleicht. Die Differenz wird durch ein Signal auf Leitung 124 dargestellt, das an eine Schaltersteuereinrichtung 126 geliefert wird. Die Schaltersteuereinrichtung 126 verwendet die Differenz, um die Zeit einzustellen, während welcher jeder Schalter 74, 76 geschlossen ist. Wenn der integrierte Strom (Leitung 118) kleiner ist als der vorbestimmte Betrag (Leitung 122), wird die Zeitperiode, während welcher jeder Schalter geschlossen ist, etwas erhöht, während dann, wenn der integrierte Strom zu groß ist, die Periode, während welcher der Schalter geschlossen ist, reduziert wird. Auf diese Weise wird der Bogenstrom während einer vorbestimmten Zeit auf einem vorbestimmten mittleren Pegel gehalten, unabhängig von Anderungen der Impedanz zwischen den Elektroden. Wenn die Dauer der der Primärwicklung zugeführten Impulse, dargestellt bei 130, reduziert wird, resultiert dies darin, daß auf die Elektroden eine niedrigere Spannung und ein niedrigerer Strom gegeben werden, ändern aber nicht wesentlich die sinusförmige Eigenschaft des Stroms.
• Für eine optische Faser eines Durchmessers von 125 um, die in einem Kontakt liegt, und Elektroden mit einem Abstand von 1,524 mm (0,060 Inch) hat die Anmelderin gefunden, daß das Anlegen eines sinusförmigen Bogenstroms von etwa 20 Milliampere (Effektivwert) für eine Periodendauer von etwa vier Sekunden eine Linse des gewünschten Durchmessers von etwa 190 um erzeugt. Es hat sich gezeigt, daß der sinustörmige Bogenstrom bei einer Frequenz von etwa 75 kHz Linsen mit reproduzierbaren Durchmessern und Positionen auf den Kontakten erzeugt.
• Die Erfindung schafft somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schmelzen eines Endbereichs einer optischen Faser in eine Linse, die eine mit Linse versehene Faser hoher Stärke erzeugen, die eine Linsenoberfläche hoher Qualität aufweist. Dies wird erreicht durch Anlegen eines elektrischen Lichtbogens zwischen Elektroden, die auf entgegengesetzten Seiten des Faserendbereichs liegen, wobei der Lichtbogen eine Dauer von mehreren Sekunden hat und mit einer Rate von mehreren tausend Mal pro Sekunde beendet und wieder gezündet wird. Eine höhere Qualität erhält man mit einer Unterbrechungsrate von über 10 kHz, und vorzugsweise über 1000 kHz, als durch Anlegen eines Wechselbogenstroms einer Frequenz von etwa 75 kHz. Für Faserdurchmesser zwischen etwa 0,127 mm (0,005 Inch) und 0,254 mm (0,010 Inch) weist der Strom vorzugsweise eine mittlere Intensität von etwa 30 Milliampere auf und wird für eine Periodendauer zwischen drei und sieben Sekunden aufrechterhalten. Die Anmelderin glaubt, daß die hohe Frequenz winzige Schwingungen verursacht, die für den winzigen geschmolzenen Ball bedeutsam sind (ein Durchmesser unter etwa 0,381 mm (0,015 Inch) für Fasern unter etwa 0,254 mm (0,010 Inch)). Außerdem, daß sie zu korrigierenden Strömen in dem geschmolzenen Ball führen, welche die Hitze in dem Glas der optischen Faser besser verteilen, um einer Schwächung zu widerstehen, und die den geschmolzenen Ball homogen machen, um Risse in der Linse zu vermeiden. Aufjeden Fall zeigt es sich, daß die hohe Frequenz zuverlässigere Fasern mit Linse erzeugt.
• Die Erfindung schafft außerdem ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens zum Schmelzen einer optischen Faser in eine Linse, welche die Erzeugung schwer voraussagbarer Resonanzen in der Faser während deren Schmelzens vermeiden. Dies wird erreicht durch Aufrechterhalten eines variierenden Lichtbogens, der sich im wesentlichen sinusförmig ändert, um Harmonische großer Amplitude zu verhindern. Der sinusförmige Strom wird in einer relativ einfachen Schaltung dadurch erzeugt, daß Impulse an die Primärwicklung des Transformators angelegt und die Sekundärwicklung des Transformators über einen Kondensator mit einer Elektrode gekoppelt wird, wobei die andere Elektrode mit der anderen Seite der Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt ist. Die Induktivität des Transformators und die Kapazität des Kondensators werden so gewählt, daß sie eine Resonanz bei der gewünschten Frequenz aufweisen, und die Impulseingabe an die Primärwicklung des Transformators findet bei im wesentlichen dieser Resonanzfrequenz statt. Der Bogenstrom wird abgefühlt und die Periodendauer jedes an die Primärwicklung des Transformators gelieferten Impulses wird eingestellt, um ein vorbestimmtes zeitliches Stromintegral aufrecht zu erhalten.
• Obwohl hier besondere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und erläutert worden sind, ist erkennbar, daß sich dem einschlägigen Fachmann Modifikationen und Variationen leicht erschließen und folglich sollen die Ansprüche so interpretiert werden, daß sie solche Modifikationen und Äquivalente umfassen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Bildung einer Linse (12) an dem Ende (36) einer optischen Faser (14), mit den Schritten:

Positionieren des Endes (36) der optischen Faser (14) zwischen einem Paar Elektroden (24, 26),

Erzeugen eines elektrischen Bogens (32) zwischen den Elektroden zum Zweck des Schmelzens des Endes der optischen Faser, um eine Linse (12) zu schaffen, die einen Durchmesser aufweist, der größer als derjenige der optischen Faser ist, und danach wiederholtes Beenden und Neustarten des Bogens (32) mehrere tausendmale pro Sekunde, aufweisend,

den Schritt des Variierens des Bogenstroms im wesentlichen sinusförmig für eine vorbestimmte Zeitdauer, um das geschmolzene Ende der optischen Faser in Vibration zu versetzen und dennoch die Erzeugung von Harmonischen zu vermeiden und dadurch die Qualität der Linse (12) zu verbessern,

wobei der Schritt des Erzeugens eines Bogens die Lieferung einer Serie von Impulsen (130) an die Primärseite (64) eines Transformators (66) umfalt, wobei eine Seite (84) der Sekundärseite (80) des Transformators über einen Kondensator (86) an die andere Seite (82) der Sekundärseite über einen den Bogen (32) umfassenden Weg gekoppelt wird;

wobei der Kondensator (86) und der Transformator (66) eine Resonanzschaltung bilden und die Frequenz der Impulse (130) im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung (66, 86) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt des Abfühlens des zeitlichen Integrals des Bogenstroms und des Veränderns der Dauer der Impulse (130), um einen vorbestimmten mittleren Bogenstrom zu erhalten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (14) einen Durchmesser von nicht mehr als etwa 0,254 mm (0,010 inch) aufweist, und daß der Bogen (32) mehrere zehntausendma1 pro Sekunde beendet und neu gestartet wird.

4. Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser (14) einen Durchmesser zwischen 0,127 mm und 0,254 mm (0,005 inch und 0,010 inch) aufweist, daß der mittlere Bogenstrom im Größenbereich von 20 Milliampere liegt und daß der Bogen (32) gelöscht und der Linse (12) ein Abkühlen erlaubt wird, nachdem der Bogen für eine Zeitdauer zwischen 3 und 7 Sekunden andauerte.

5. Vorrichtung zum Formen eines Endes (36) einer optischen Faser (14) in eine Linse (12), umfassend ein Paar Elektroden (24, 26) mit beabstandeten Spitzen (40, 42), einer Einrichtung (18) zum Halten des Faserendes zwischen den Elektroden spitzen, eine zwischen die Elektroden gekuppelte Schaltungseinrichtung (30), um diesen Elektrizität zuzuführen, die zwischen den Elektroden spitzen einen Bogen (32) mit einer Intensität und Dauer erzeugt, die zum Schmelzen des Faserendes in eine Linse (12) führen, deren Durchmesser größer ist als derjenige der Faser, wobei die Schaltungseinrichtung (30) ausgelegt ist zum Initiieren eines Bogens zwischen den Elektrodenspitzen und zum nachfolgenden wiederholten Beenden und Neustarten des Bogens mit einer Rate von mehreren tausendmalen pro Sekunde, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtung (30) ausgelegt ist zum Variieren des Bogenstroms im wesenüichen sinusförmig, um die Erzeugung von Harmonischen zu verhindern, und daß die Schaltungseinrichtung (30) aufweist: einen Transformator (66) mit einer Primärwicklung (64) und einer Sekundärwicklung (80), wobei die Sekundärwicklung (80) erste und zweite Anschlüsse (82, 84) aufweist, eine Einrichtung (74, 76, 126) zum Anlegen von Impulsen (130) an die Primärwicklung (64); eine Einrichtung zum Definieren eines Kondensators (86), welcher den ersten Anschluß (84) der Sekundärwicklung mit einer (24) der Elektroden koppelt; eine Einrichtung (88, 35 78), welche die andere (26) der Elektroden mit dem zweiten Anschluß (82) der SekundärwickIung (80) koppelt, wobei die Induktivität der Sekundärwicklung (80) und die reflektierte Induktivität der Primärwicklung (64) zusammen mit der Kapazität eine Resonanzschaltung einer vorbestimmten Resonanzfrequenz definieren und die Einrichtung zum Anlegen von Impulsen (74, 76, 126) ausgelegt ist, um Impulse (130) mit einer Rate im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz anzulegen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (116, 120) zum Abfühlen des Stromflusses zwischen den Elektroden; und dadurch, daß die Einrichtung zum Anlegen von Impulsen eine Einrichtung (126) aufweist, die auf den von der Stromflußabfühleinrichtung (116, 120) abgefühlten Strom anspricht, um die Dauer der Impulse zu verändern und einen votestimmten mittleren Stromfluß zwischen den Elektroden aufrechtzuerhalten.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Spannungsmultiplizierschaltung (90), die zwischen entgegengesetzte Seiten des erstgenannten Kondensators (86) geschaltet ist, wobei die Multiplizierschaltung von einem großen Typ ist, der eine Mehrzahl von Verfielfacherkondensatoren (91) aufweist, die in Reihe geschaltet sind, und eine Mehrzahl von Diodeneinrichtungen zum wiederholten Aufladen der Verfielfacherkondensatoren, bis die Spannung über dem erstgenannten Kondensator (86) einen Pegel erreicht, bei dem ein Anfangsbogen zwischen den Elektrodenspitzen (40, 42) gebildet wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser (14) einen Durchmesser von nicht mehr als etwa 0,010 inch aufweist, und daß die Schaltungseinrichtung (30) dazu ausgelegt ist, einen Wechselstrom mit einer Frequenz von mehr als 10 kHz anzulegen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser (14) einen Durchmesser von nicht mehr als etwa 0,254 mm (0,01 inch) aufweist, und daß die Schaltungseinrichtung (30) für einen Stromfluß mit einer mittleren Größe im Größenbereich von 30 Milliampere für eine Zeitdauer zwischen 3 und 7 Sekunden bei einer Rate von Beendigungen und Neuauslösungen von wenigstens etwa 100 kHz ausgelegt ist.