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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden,
durch Fusionsspleißen,
von zwei optischen Fasern mit einem unterschiedlichen Modenfelddurchmesser
(hierin nachstehend als MFD (mode field diameter) bezeichnet) voneinander.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Eine
dispersionskompensierende Faser wurde verwendet, um chromatische
Dispersion einer optischen Übertragungsleitung
zu kompensieren, die optische Fasern umfasst. Es wurde ein optischer
Verstärker
mit einer optischen Faser, deren Optikwellenleiterregion mit einem
Element seltener Erden dotiert ist, verwendet, um Verlust in der
optischen Übertragungsleitung
zu kompensieren. In derartigen Fällen mussten
zwei optische Fasern mit unterschiedlichem MFD miteinander verbunden
werden. Es waren zwei Verbindungsverfahren bekannt, nämlich ein
Verfahren einer Verwendung eines Verbinders und Fusionsspleißen, wobei
das letztere einen kleinen Verbindungsverlust verursacht.
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Um
zwei optische Fasern durch Fusionsspleißen zu verbinden, wird die
Beschichtung an jeder optischen Faser in dem benachbarten Ende davon
entfernt, dann werden die benachbarten Endflächen der zwei optischen Fasern
zusammen gestoßen,
und die Endflächen
werden durch Erwärmen
mit einer Lichtbogenentladung oder dergleichen weich gemacht und
fusionsgespleißt.
Wenn die MFDs der zwei Fasern in den Abschnitten für Fusionsspleißen einander
gleich sind, ist der Spleißungsverlust
klein. Wenn die MFDs unterschiedlich sind, wird je größer der
Unterschied im Durchmesser ist, der Spleißungsverlust desto größer.
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Ein
Spleißungsverfahren
für eine
optische Faser wurde in der japanische Patentanmeldung Offenlegung
Nr. 04-118607 offenbart, welches gedacht ist, den Spleißungsverlust
zu reduzieren, wenn zwei optische Fasern mit unterschiedlichen MFDs
fusionsgespleißt
wurden. Zwei optischen Fasern werden als eine erste optische Faser
mit einem größeren MFD bzw.
eine zweite optische Faser mit einem kleineren MFD bezeichnet.
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Gemäß diesem
Spleißungsverfahren
wird der MFD der zweiten optischen Faser durch Erwärmen eines
Abschnitts, der die benachbarte Endfläche davon enthält, und
durch Diffundieren (Verbreiten) einer Dotiersubstanz darin vergrößert, und
dann werden die ersten und zweiten optischen Fasern fusionsgespleißt. Somit
kann der Unterschied zwischen den MFDs der ersten und der zweiten
optischen Fasern in dem Abschnitt zum Fusionsspleißen reduziert
werden, wobei es dadurch zu einer Verringerung in dem Spleißungsverlust
kommt.
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EP 0 340,042 bezieht sich
auf ein Verfahren zum Spleißen
von optischen Fasern, worin mindestens eine der Fasern eine hohe
numerische Apertur (NA) hat und die zwei Fasern unterschiedliche
Modenpunktgrößen haben.
Das Verfahren umfasst Schmelzen der Enden der Fasern zusammen mit
ihren Kernen in Ausrichtung und Erwärmen der geschmolzenen Verbindungsstelle
zwischen den Fasern so, um eine Dotiersubstanz zu veranlassen, aus dem
Kern heraus zu migrieren. Der Erwärmungsschritt wird für eine Zeit
ausgeführt,
die ausreichend ist, einen vorbestimmten Grad einer Anpassung zwischen
Ausbreitungsmodi in den zwei Fasern zu erreichen.
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EP 1,063,544 beschreibt
einen exponierten Teil von mindestens einer von zwei optischen Fasern mit
unterschiedlichen Modenfeldverteilungen, die durch Fusion zu spleißen sind,
der durch einen Brenner erwärmt
wird, um dadurch seine Modenfeldverteilung in der Längsrichtung
der optischen Faser kontinuierlich zu variieren, und der exponierte
Endteil von mindestens einer der optischen Fasern wird zerteilt,
sodass die Modenfeldverteilungen in den Spleißendflächen der zwei optischen Fasern,
die durch Fusion zu spleißen
sind, im wesentlichen miteinander in der Konfiguration übereinstimmen,
die zwei optischen Fasern werden durch Fusion gespleißt, wodurch
ein geringer Spleißungsverlust
realisiert wird. Danach wird der erwärmte Abschnitt der optischen Faser
einer Oberflächenbehandlung
durch einen Ätzprozess
unter Verwendung einer Fluorwasserstoffsäurelösung unterzogen, wodurch eine
Verschlechterung ihrer mechanischen Stärke verhindert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Spleißungsverfahren
für eine
optische Faser zum Verringern von Spleißungsverlust einer ersten optischen
Fasern und einer zweiten optischen Faser, deren MFDs voneinander
verschieden sind, vorzusehen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren vorgesehen
zum Verbinden durch Fusionsspleißen einer ersten optischen Faser,
mit einem ersten Modenfelddurchmesser, der sich mit Erwärmung erhöht, und
einer zweiten optischen Faser, mit einem zweiten Modenfelddurchmesser,
der sich zuerst erhöht
und als Nächstes
verringert mit Erwärmung,
wo bei der zweite Modenfelddurchmesser kleiner als der erste Modenfelddurchmesser
ist, das Verfahren umfassend:
einen Schritt zum Erwärmen eines
Abschnitts enthaltend eine benachbarte Endfläche der ersten optischen Faser
so, um eine Dotiersubstanz zu verbreiten; und
einen Schritt
zum Verbinden der ersten und der zweiten optischen Fasern durch
Fusionsspleißen.
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Das
Verfahren umfasst einen Vorfusionserwärmungsschritt zum Erwärmen eines
Abschnitts, der die benachbarte Endfläche der ersten optischen Faser
enthält
so, um eine Dotiersubstanz zu verbreiten, und einen Fusionsspleißungsschritt
zum Verbinden der ersten und der zweiten optischen Fasern.
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Das
Verfahren umfasst ferner einen Nachfusionserwärmungsschritt zum Erwärmen eines
Abschnitts, der den fusionsgespleißten Teil zwischen den ersten
und den zweiten optischen Fasern enthält nach dem Fusionsspleißungsschritt,
um die darin enthaltene Dotiersubstanz zu verbreiten.
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Die
Dotiersubstanz kann während
des Vorfusionserwärmungsschritts
verbreitet werden, bis der Modenfelddurchmesser
2W1 ,
definiert durch Petermann I, in der benachbarten Endfläche der
ersten optischen Faser um mindestens 1 μm vergrößert ist. Der Modenfelddurchmesser
2W1 kann durch die folgende Formel erhalten
werden:
wobei E(r) die Verteilung
des LP01-Modus darstellt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine optische Übertragungsleitung
vorgesehen, die eine erste optische Faser mit einem ersten Modenfelddurchmesser,
der sich mit Erwärmung
erhöht,
und eine zweite optische Faser mit einem zweiten Modenfelddurchmesser
enthält, der
sich zuerst erhöht
und als Nächstes
verringert mit Erwärmung,
wobei der zweite Modenfelddurchmesser kleiner als der erste Modenfelddurchmesser
ist, hergestellt durch einen Prozess, umfassend:
einen Schritt
zum Erwärmen
eines Abschnitts, der eine benachbarte Endfläche der ersten optischen Faser
enthält
so, um eine Dotiersubstanz zu verbreiten; und
einen Schritt
zum Verbinden der ersten und der zweiten optischen Fasern durch
Fusionsspleißen.
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Das
obige und weitere Ziele und neuartige Merkmale der Erfindung werden
aus der folgenden detaillierten Beschreibung vollständiger klargestellt, wenn
die gleiche in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen
wird. Es ist jedoch ausdrücklich
zu verstehen, dass die Zeichnungen nur dem Zweck von Veranschaulichung
dienen und nicht als eine Definition der Grenzen der Erfindung gedacht sind.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Um
die Zeichnungen vollständiger
zu verstehen, die in der detaillierten Beschreibung der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, wird eine kurze Beschreibung jeder Zeichnung
vorgesehen:
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1 ist
eine Veranschaulichung eines Verfahrens zum Spleißen von
optischen Fasern gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Veranschaulichung des Brechzahlprofils einer ersten optischen
Faser (optische Faser 1);
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3 ist
eine Veranschaulichung des Brechzahlprofils einer zweiten optischen
Faser (optische Faser 2);
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4A ist
eine Grafik, die eine Schwankung von MFDs in den benachbarten Endflächen der
optischen Faser 1 und 2 zeigt, und 4B zeigt
jeweils eine Änderung
vom Spleißungsverlust
gegenüber der
Erwärmungszeit,
mit dem Verfahren zum Spleißen
von optischen Fasern gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5A ist
eine Grafik, die eine Schwankung von MFDs in den benachbarten Endflächen der
optischen Faser 1 und 2 zeigt, und 5B zeigt
jeweils eine Änderung
vom Spleißungsverlust
gegenüber der
Erwärmungszeit,
mit dem Verfahren zum Spleißen
von optischen Fasern ähnlich
zu der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, aber ohne einen Vorfusionserwärmungsschritt;
und
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6 zeigt
eine optische Übertragungsleitung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung detailliert mit Bezug auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben. Um das Verständnis für die Erklärung zu erleichtern, bezeichnen
die gleichen Bezugszeichen die gleichen Teile, wo möglich, überall in
den Zeichnungen, und eine wiederholte Erklärung wird weggelassen. Die
Abmessungen in den Zeichnungen sind teilweise übertrieben und entsprechen
nicht immer den tatsächlichen
Verhältnissen
der Abmessungen.
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Bezug
nehmend auf 1 wird eine Ausführungsform
eines Verfahrens zum Spleißen
von optischen Fasern gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. Zuerst werden eine erste optische Faser (optische
Faser 1) und eine zweite optische Faser (optische Faser 2)
vorbereitet. Der MFD D2 der optischen Faser 2 ist
kleiner als der MFD D1 der optischen Faser 1 in
dem Bereich der Betriebswellenlänge,
d.h. in der Wellenlänge
von 1,55 μm.
Dann werden Beschichtungen der optischen Faser 1 und 2 in dem
benachbarten Ende davon, das durch Fusion zu spleißen ist,
entfernt, und ein Glas 4 und ein Glas 5 werden
freigelegt. Das Paar von Linien, die innerhalb jeder optischen Faser
in der Figur gezeichnet sind, zeigt den MFD in jeder Position entlang
der Längsrichtung
jeder optischen Faser an.
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Die
optische Faser 1 ist z.B. eine typische Einzelmodus-Optikfaser
mit Null-Dispersionswellenlänge
um 1,3 μm
herum und ungefähr
17 ps/nm/km in 1,55 μm.
Der MFD D1 ist ungefähr 10 μm in der Wellenlänge von
1,55 μm.
Die optische Faser 1 hat ein Stufenindexprofil, dotiert
mit Germanium (GeO2) in einer Region, die
die optische Achse enthält.
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Andererseits
ist die optische Faser 2 z.B. eine dispersionskompensierende
optische Faser mit einem chromatischen in Dispersionswert, der von
ungefähr –20 bis –250 ps/nm/km
der Wellenlänge
von 1,55 μm
reicht. Der MFD D2 ist in der Größenordnung von
mehreren Mikrometern in der Wellenlänge von 1,55 μm.
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Die
optische Faser 2 hat ein komplizierteres Brechzahlprofil
als die optische Faser 1. Die optische Faser 2 ist
mit einer geeigneten Menge von z.B. GeO2 oder
Fluor (F) in einer vorbestimmten Region davon so dotiert, um jeweils
die Brechzahl davon zu erhöhen
oder zu verringern.
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In
dem Vorfusionserwärmungsschritt
wird der MFD in dem benachbarten Ende der optischen Faser 1,
der größer als
der der optischen Faser 2 ist, durch Erwärmen eines
Abschnitts vergrößert, der das
benachbarte Ende enthält
so, um die Dotiersubstanz zu verbreiten. Der MFD in der benachbarten Endfläche der
optischen Faser 1, wie durch Petermann I definiert, wird
vorzugsweise um mindestens 1 μm
vergrößert. Eine
Brennerflamme, ein Lichtbogen, zu generieren durch ein Paar von
entgegenliegenden Elektroden, die die optische Faser 1 flankieren,
und ein CO2-Laserstrahl hoher Leistung können als eine Wärmequelle
in dem Vorfusionserwärmungsschritt verwendet
werden. Die Erwärmungstemperatur
in diesem Schritt wird derart bestimmt, dass die Dotiersubstanz,
die in der optischen Faser 1 enthalten ist, verbreitet
werden kann, aber diese Faser selbst nicht weich gemacht wird.
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Nach
dem Vorfusionserwärmungsschritt
wird ein Fusionsspleißungsschritt
durchgeführt.
In dem Fusionsspleißungsschritt
werden die optischen Fasern 1 und 2 durch Fusionsspleißen zusammen
verbunden. Genauer werden die benachbarten Endflächen der optischen Faser 1 und 2 zusammen
gestoßen,
und dann wird der Abschnitt, der die benachbarten Endflächen enthält, erwärmt und
weich gemacht durch eine Lichtbogenentladung, die durch ein Paar von
entgegenliegenden Elektroden generiert wird, die die angestoßenen Endflächen flankieren,
wobei dadurch Fusionsspleißen
der zwei optischen Fasern durchgeführt werden kann. In dem gewöhnlichen
Fusionsspleißungsschritt
gibt es wenig Schwankung in dem MFD der optischen Faser 1,
wobei im wesentlichen der Durchmesser gehalten wird, wie in dem
Vorfusionserwärmungsschritt
vergrößert. Es
gibt auch wenig Schwankung in dem MFD der optischen Faser 2 in
diesem Fusionsspleißungsschritt.
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Nach
dem Fusionsspleißungsschritt
wird ein Nachfusionserwärmungsschritt
durchgeführt.
In diesem Schritt wird die Dotiersubstanz durch Erwärmen eines
Abschnitts verbreitet, der den fusionsgespleißten Teil 3 zwischen
der optischen Faser 1 und 2 enthält. Der
MFD in der benachbarten Endfläche
der optischen Faser 2, der anfangs klein gewesen ist, vergrößert sich
während
des Nachfusionserwärmungsschritts
rasch, wird größer als
der der benachbarten Endfläche
der optischen Faser 1, erreicht nach einer Zeitperiode
eine Spitze, und wird anschließend
kleiner und näher
zu dem der benachbarten Endfläche der
optischen Faser 1. Der MFD in der benachbarten Endfläche der
optischen Faser wird entsprechend so abgestimmt, um den Unterschied
zwischen den MFDs in dem fusionsgespleißten Teil 3 der zwei
Fasern zu reduzieren. Somit verringert sich der Spleißungsverlust
allmählich,
da sich der MFD im Verlauf der Zeit in der benachbarten Endfläche der
optischen Faser 2 verringert. Es kann die gleiche Wärmequelle wie
in dem Vorfusionserwärmungsschritt
als eine Wärmequelle
in dem Nachfusionserwärmungsschritt verwendet
werden. Die Erwärmungstemperatur
für diesen
Prozess wird derart bestimmt, dass die Dotiersubstanz, die beiden
optischen Fasern hinzugefügt wurde,
verbreitet werden kann, aber keine der optischen Fasern weich gemacht
wird.
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6 zeigt
eine optische Übertragungsleitung 6,
umfassend die optische Faser 1 und 2, die in Übereinstimmung
mit dem wie oben beschriebenen Verfahren zusammen verbunden sind.
Der Fusionsspleißungsverlust
des fusionsgespleißten
Teils 3 kann auf 0,2 dB oder weniger reduziert werden.
Die optische Übertragungsleitung 6 ist
zwischen einem Sender 7 und einem Empfänger 8 vorgesehen.
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Die
Ausführungsform
wird nun detaillierter beschrieben. Eine Einzelmodus-Optikfaser
21 mit dem
in
2 gezeigten Brechzahlprofil wird hier als die
optische Faser
1 vorbereitet. Die optische Faser
21 umfasst
eine Kernregion
22, die eine hohe Brechzahl hat und die
optische Achse enthält,
und eine Mantelregion
23, die eine geringe Brechzahl und
die Kernregion
22 umgibt. Beide Regionen bilden zusammen
ein einfaches Stufenindexprofil. Der äußere Durchmesser der Kernregion
22 ist
8,2 μm und
der äußere Durchmesser
der Mantelregion
23, d.h. der äußere Durchmesser der Faser,
ist 125 μm.
Die relative Brechzahldifferenz der Kernregion
22 ist 0,34% im
Vergleich zu der der Mantelregion
23. In der Wellenlänge von
1,55 μm
hat die optische Faser
21 eine chromatische Dispersion
von 17 ps/nm/km, eine Dispersionsneigung von 0,057 ps/nm
2/km, einen MFD
2W1 von
10,7 μm,
definiert durch Petermann I, einen MFD
2W2 von
10,3 μm,
definiert durch Petermann II, und einen effektiven Kernbereich von
80 μm
2. Der MFD
2W2 kann
durch die folgende Formel erhalten werden:
wobei E(r) die Verteilung
des LP01-Modus darstellt.
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Andererseits
wird eine dispersionskompensierende optische Faser 31 mit
dem in 2 gezeigten Brechzahlprofil als die optische Faser 2 vorbereitet.
Die optische Faser 31 umfasst eine Kernregion 32,
die die optische Achse enthält,
eine Grabenregion 33, die die Kernregion 32 umgibt,
eine Kammregion 34, die die Grabenregion 33 umgibt,
und eine Mantelregion 35, die die Kammregion 34 umgibt,
die zusammen das Brechzahlprofil bilden.
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Die äußeren Durchmesser
der Kernregion 32, der Grabenregion 33 und der
Kammregion 34 sind 4 μm,
10 μm bzw.
17 μm. Der äußere Durchmesser
der Mantelregion 35, d.h. der äußere Durchmesser der Faser,
ist 125 μm.
Die relativen Brechzahldifferenzen der Kernregion 32, der
Grabenregion 33 und der Kammregion 34 sind 1,6%, –0,5% bzw.
0,2% im Vergleich zu der der Mantelregion 35. In der Wellenlänge von
1,55 μm
hat die zweite optische Faser 31 eine chromatische Dispersion
von –96
ps/nm/km, eine Dispersionsneigung von –0,75 ps/nm2/km,
einen MFD 2W1 von 7,7 μm, definiert
durch Petermann I, einen MFD 2W2 von
4,9 μm,
definiert durch Petermann II, und einen effektiven Kernbereich von
19 μm2.
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Während des
Vorfusionserwärmungsschritts in
dieser Ausführungsform
wird der MFD 2W1 in der benachbarten
Endfläche
der optischen Faser 21 von 10,7 μm auf 14,9 μm, der MFD 2W2 von
10,3 μm
auf 13,2 μm
und der effektive Kernbereich von 80 μm2 auf 131 μm2 vergrößert.
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4A und 4B zeigen
eine Schwankung von MFDs, definiert durch Petermann I, in den benachbarten
Endflächen
der optischen Faser 1 und 2 bzw. einen Spleißungsverlust,
während
die Erwärmungszeit
abläuft,
wie in der Achse der Abszisse gezeigt, während des Nachfusionserwärmungsschritts.
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Wie
in 4A gezeigt, schwankt der MFD in der benachbarten
Endfläche
der optischen Faser 1 im Verlauf der Zeit wenig, wobei
der Durchmesser im wesentlichen gehalten wird, wie während des
Vorfusionserwärmungsschritts
vergrößert. Andererseits wird
der MFD in der benachbarten Endfläche der optischen Faser 2,
der anfangs kleiner gewesen ist, rasch größer als der in der benachbarten
Endfläche der
optischen Faser 1, erreicht nach einer Zeitperiode eine
Spitze, und wird anschließend
kleiner und näher
zu dem in der benachbarten Endfläche
der optischen Faser 1. Wie in 4B gezeigt,
verringert sich, wie der MFD in der benachbarten Endfläche der optischen
Faser 2 im Verlauf der Zeit schwankt, der Spleißungsverlust
von ungefähr
1,7 dB auf ungefähr 0,08
dB nach 450 Sekunden, und bleibt danach so niedrig wie dieser Wert.
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5A und 5B zeigen
eine Schwankung der MFDs, definiert durch Petermann I, in den benachbarten
Endflächen
der opti schen Faser 1 und 2 bzw. des Spleißungsverlustes
im Verlauf der Erwärmungszeit
mit dem Verfahren zum Spleißen
von zwei optischen Fasern ähnlich
zu der oben beschriebenen Ausführungsform,
aber ohne den Vorfusionserwärmungsschritt,
wie in der Achse der Abszisse während des
Nachfusionserwärmungsschritts
gezeigt.
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Wie
in 5A gezeigt, schwankt der MFD in der benachbarten
Endfläche
der optischen Faser 1 im Verlauf der Zeit wenig, wobei
im wesentlichen der anfängliche
Durchmesser gehalten wird. Andererseits wird der MFD in der benachbarten
Endfläche der
optischen Faser 2, der anfangs kleiner gewesen ist, rasch
größer als
der in der benachbarten Endfläche
der optischen Faser 1, erreicht nach einer Zeitperiode
eine Spitze und wird anschließend
kleiner. Der MFD in der benachbarten Endfläche der optischen Faser 2 verringert
sich jedoch nicht zu ungefähr
dem gleichen MFD in der benachbarten Endfläche der optischen Faser 1,
und die Differenz zwischen dem MFD der zwei optischen Fasern bleibt
anders als in dem Fall der Ausführungsform
ungefähr
4 μm. Wie
in 5B gezeigt, verringert sich, da der MFD in der benachbarten
Endfläche
der optischen Faser 2 im Verlauf der Zeit schwankt, der
Spleißungsverlust
von ungefähr
1,3 dB auf ungefähr
0,4 dB nach 450 Sekunden, und verringert sich danach nicht weiter.
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Wenn
der Fusionsspleißungsschritt
nach Vergrößern des
MFD in der benachbarten Endfläche der
optischen Faser 2 durchgeführt wurde, deren MFD kleiner
als der der optischen Faser 1 ist, wie in der japanischen
Patentanmeldung Offenlegung Nr. 04-118607 offenbart, werden die MFDs der
zwei optischen Fasern nicht nahe zueinander, was somit zu einem
Fehlschlag beim Reduzieren des Spleißungsverlustes führt, ähnlich zu
dem Fall, wie in 5A und 5B gezeigt.