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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzspleißen von
Lichtleitfasern. Spezieller betrifft das Verfahren einen Schmelzspleißvorgang,
bei welchem Schmelzspleißen
dadurch durchgeführt
wird, dass die Endoberflächen
von zwei Lichtleitern aneinander gefügt werden, und einen Wärmebehandlungsvorgang,
bei welchem ein Schmelz verspleißtes Teil und dessen Nähe erwärmt werden.
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Beschreibung
des technischen Hintergrunds
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Bei
Lichtleitfasern, die kleinere oder unterschiedliche Modenfelddurchmesser
aufweisen, wird Schmelz spleißen
dadurch durchgeführt,
dass Endoberflächen
von zwei Lichtleitern aneinander gefügt werden, und das Schmelz
verspleißte
Teil und dessen Nähe
innerhalb einiger Millimeter an dessen beiden Seiten einer Wärmebehandlung
unterzogen werden, so dass ein Dotiermittel in den Lichtleitfasern
diffundiert, um so den Unterschied in Bezug auf die Brechungsindexprofile
des Schmelz verspleißten
Teils zu verringern, und hierdurch den Spleißverlust zu verringern.
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Die
Wärmequelle
für eine
Heizeinheit, die bei dem Wärmebehandlungsvorgang
vorgesehen ist, ist normalerweise eine Anzahl mehrerer Mikrobrenner,
die geeignet in Bezug auf die Lichtleitfasern angeordnet sind. Die
Heizeinheit muss zusätzlich
zu einer Lichtbogeneinheit vorhanden sein, die zum Schmelzspleißen verwendet
wird. Wenn die Bogenentladungseinheit auch zur Wärmebehandlung von Lichtleitfasern
eingesetzt wird, dann könnten
ein Schmelzspleißvorgang
und ein Wärmebehandlungsvorgang
mit einer Einheit durchgeführt
werden. Allerdings ist es schwierig, das Ausmaß der Erwärmung durch den elektrischen
Entladungsstrom selbst einzustellen, da es wesentlich ist, dass
bei der Lichtbogeneinheit ein elektrischer Strom zugeführt wird, der
größer ist
als ein elektrischer Auslösestrom,
bei welchem die isolierende Luft durchschlagen wird. Es ist möglich sich
zu überlegen,
die Wärmemenge
dadurch einzustellen, dass eine elektrische Entladung dann durchgeführt wird,
während
der Ort der Lichtbogenerwärmung
entlang der Lichtleitfaser verschoben wird. Hierbei ist es erforderlich,
das größte Ausmaß der Diffusion
des Dotiermittels an dem Schmelzspleißteil vorzusehen, wobei das
Ausmaß der
Diffusion allmählich
abnimmt, wenn sich der Ort weiter von dem Schmelzspleißteil entfernt.
Ein derartiges Wärmebehandlungsverfahren
hat jedoch den Nachteil, dass sehr leicht eine übermäßige Erwärmung an einem Umkehrpunkt
auftritt, da die Bewegung bei jedem Durchlauf anhält, was
zu einer zu starken Diffusion des Dotiermittels an dem Umkehrpunkt
der Bewegung führt,
der in einer Entfernung von dem Schmelzspleißteil angeordnet ist. Dies
führt dazu,
dass die optischen Verluste der Lichtleitfaser erhöht werden,
was zu einer Erhöhung
der Spleißverluste
führt.
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Die
JP-11-305065 beschreibt einen Schmelzspleißvorgang, bei welchem Schmelzspleißen dadurch durchgeführt wird,
dass Endphasen zweier Lichtleitfasern aneinander gefügt werden,
und die aneinander gefügten
Endphasen unter Verwendung einer Lichtbogenheizeinheit erwärmt werden,
die ein Paar entgegengesetzter Lichtbogenelektroden aufweist.
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Die
US-A-6 120 192 beschreibt eine Spleißvorrichtung zum Verschweißen von
Lichtwellenleitern unter Verwendung einer Lichtbogenheizeinheit,
die ein Paar entgegengesetzter Lichtbogenelektroden aufweist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum
Spleißen
von Lichtleitfasern zur Verfügung
zu stellen, das in Bezug auf kleinere Spleißverluste vorteilhaft ist.
Um dieses Ziel zu erreichen, weist das Verfahren zum Verspleißen von
Lichtleitfasern gemäß der Erfindung
die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale auf.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen
angegeben.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung weist die Richtung der Bewegung der Heizzentrumsposition eine
Schrägstellung
von 20° bis
45° in Bezug
auf die Axialrichtung der Lichtleitfaser auf (Richtung der Z-Achse).
Wenn die Heizzentrumsposition an dem Schmelz verspleißten Teil
vorbei geht, wird die Bewegung der Heizeinheit einmal angehalten,
während
die Erwärmung
fortgesetzt wird, und kann die Heizzentrumsposition mit Ausnahme
des Schmelz verspleißten
Teils 2 mm oder mehr von der Achse der Lichtleitfaser während jener Zeit
entfernt sein, in welcher die Bewegung der Heizeinheit einmal angehalten
wird. Weiterhin kann der Verlauf der Bewegung eine gerade Linie
sein, die eine Schrägstellung
zur Richtung der Lichtleitfaser aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung wird genauer nachstehend unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen erläutert.
Die Zeichnungen sind nur zu dem Zweck vorgesehen, zu erläutern, und
sollen nicht den Umfang der Erfindung einschränken.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A ist
eine Perspektivansicht, die ein Hauptteil einer Lichtbogenheizeinheit
zeigt, die bei einem Wärmebehandlungsvorgang
gemäß der vorliegenden
Erfindung eingesetzt wird;
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1B und 1C sind
Vorderansichten, die jeweils einen Verlauf der Bewegung der Heizzentrumsposition
bei einem Verfahren zum Schmelzverspleißen der Lichtleitfasern gemäß der vorliegenden
Erfindung erläutern;
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2 erläutert die
Geschwindigkeit der Heizzentrumsposition vor und nach dem Anhalten
der Bewegung;
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3 ist
eine Vorderansicht, welche einen Verlauf der Bewegung der Heizzentrumsposition
bei einem Vergleichsbeispiel 1 erläutert; und
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4 erläutert eine
Ausführungsform
einer Lichtleitfaserübertragungsleitung
gemäß der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen erläutert.
In den Zeichnungen sind gleiche Bestandteile mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet, so dass auf eine wiederholte Erläuterung verzichtet werden kann.
Die Abmessungsverhältnisse
in den Zeichnungen stimmen nicht notwendigerweise mit der Erläuterung
zusammen.
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In
den 1A bis 1C sind
mit 1 und 1' die
freigelegten Abschnitte der Lichtleitfasern bezeichnet, an welchen
die Beschichtungen der Lichtleitfasern entfernt sind, und bezeichnen
die Bezugszeichen 2 und 2' Lichtleitfasern, 3 ein
Schmelz verspleißtes
Teil, 4 Bogenentladungselektroden, 5 Elektrodenhalterungsständer, 6 Auslassrohre
für Atmosphärengas, 7 Lichtleitfaserhalteständer, und 8 einen
Elektrodenträger.
Weiterhin ist die Richtung der gegenüberliegenden Bogenentladungselektroden
als X-Achse bezeichnet, ist die Längsachse der Lichtleitfaser
an dem Schmelz verspleißten
Teil als Z-Achse bezeichnet, und ist eine Richtung senkrecht zur
X-Achse und zur Z-Achse als Y-Achse
bezeichnet.
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Die
freigelegten Abschnitte 1 und 1' der Lichtleitfasern bestehen aus
Quarzglas, und um sie herum ist ein mittels Ultraviolettstrahlung
aushärtendes
Harz vorgesehen, zur Ausbildung der Lichtleitfasern 2 und 2'. Da die Modenfelddurchmesser
der Lichtleitfasern 2 und 2' unterschiedlich sind, oder gering
sind, wenn sie gleich ausgebildet sind, führt ein einfaches Schmelzverspleißen der
Lichtleitfaser 2 und der Lichtleitfaser 2' zu einem erheblichen
Spleißverlust.
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Zum
Schmelzverspleißen
der Lichtleitfaser 2 und der Lichtleitfaser 2' wird zuerst
die Beschichtung jedes Endabschnitts entfernt, damit man die freiliegenden
Abschnitte 1 und 1' der
jeweiligen Lichtleitfaser erhält, und
werden deren Spitzen abgeschnitten, damit sie eine spiegelartige
Oberfläche
aufweisen, dann werden sie aneinander gefügt, und durch Schmelzspleißen miteinander
durch eine Lichtbogenentladung der Schmelzspleißeinheit verbunden.
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In
einem Zustand unmittelbar nach dem Schmelzspleißen sind die Brechungsindexprofile
der Lichtleitfaser 2 und der Lichtleitfaser 2' diskontinuierlich
an dem Schmelz verspleißten
Teil 3. Wenn ihre Modenfelddurchmesser unterschiedlich
sind, ändern
sich daher die Modenfelddurchmesser abrupt, selbst wenn die Zentren
der Kerne übereinstimmen.
Wenn die Modenfelddurchmesser klein sind, ist es darüber hinaus
schwierig, das Zentrum jedes Kerns exakt anzupassen, obwohl dies
erforderlich ist. Daher ist der Spleißverlust unmittelbar nach dem
Schmelzspleißen
groß.
Wenn beispielsweise eine Single-mode-Lichtleitfaser mit einem Bodenfelddurchmesser
von etwa 12 μm,
was vergleichsweise groß ist,
und eine Dispersionskompensations-Lichtleitfaser mit einem Bodenfelddurchmesser
von etwa 4 μm
bis 5 μm,
was relativ klein ist, durch Schmelzspleißen miteinander verbunden werden,
beträgt
der Spleißverlust
etwa 1,35 dB bei der Wellenlänge
von 1,55 μm
unmittelbar nach dem Schmelzspleißen.
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Daher
wird eine Wärmebehandlung
an dem Schmelzspleißteil 3 der
Lichtleitfaser und in dessen Umgebung auf folgende Art und Weise
durchgeführt.
Wie in 1A gezeigt, ist ein Elektrodenhalterungsständer 5,
der eine Bogenentladungselektrode 4 haltert, auf einem
Elektrodenträger 8 angebracht.
Weiterhin wird ermöglicht,
da der Elektrodenträger 8 mit
Antriebseinheiten für
3 Achsen versehen ist, nämlich
für die
X-Achse, die Y-Achse, und die Z-Achse, dass sich die Heizzentrumsposition
zwischen den beiden Lichtbogenelektroden 4 in einer gewünschten
Richtung bewegt. Es ist möglich,
dass sich die Heizzentrumsposition entlang der Lichtleitfaser dadurch
bewegt, dass die Antriebseinheit einen Antrieb in Richtung der Z-Achse
durchführt.
Wenn der Antrieb entlang der Z-Achse und der Antrieb entlang der
Y-Achse gleichzeitig durchgeführt
werden, kann die Heizzentrumsposition dazu veranlasst werden, sich
in einer Richtung in der Y-Z-Ebene zu bewegen.
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Während des
Wärmebehandlungsvorgangs
beim Schmelzverspleißen
von Lichtleitfasern durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
wird die Heizzentrumsposition in einem derartigen Verlauf verschoben,
wie er nachstehend beschrieben wird, während eine Lichtbogenentladung
unter Verwendung der Bogenentladungselektroden 4 erfolgt,
die auf einem Elektrodenträger 8 angebracht
sind. Die 1B und 1C sind
jeweils eine Vorderansicht, die ein Beispiel für den Verlauf der Bewegung
der Heizzentrumsposition zeigen, 1B zeigt
ein Beispiel für
eine V-förmige
Bewegung, und 1C zeigt ein Beispiel für eine geradlinige Bewegung.
Zuerst wird bei dem Beispiel von 1B, während eine
Bogenentladung zwischen den Bogenentladungselektroden 4 hervorrufen
wird, der Antrieb des Elektrodenträgers 8 gleichzeitig
in Richtung der Y-Achse und in Richtung der Z-Achse durchgeführt, und
wird die Heizzentrumsposition in folgender Reihenfolge bewegt: Punkt
P(0, Y, –Z) → Punkt O(0,
0, 0) → Punkt
Q(0, Y, Z). Wenn die Winkel, die durch ein Segment PO und die Z-Achse
gebildet werden, sowie durch ein Segment OQ und die Z-Achse, mit θ bezeichnet
sind, dann ist folgende Beziehung vorhanden: tan(θ) = Y/Z.
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So
kann beispielsweise θ etwa
20° bis
45° betragen,
im Falle des Schmelzverspleißens
einer Single-mode-Lichtleitfaser, die einen Modenfelddurchmesser
von etwa 12 μm
aufweist, und einer Dispersionskompensations-Lichtleitfaser, die
einen Modenfelddurchmesser von etwa 4 μm bis 5 μm aufweist, wobei dort eine Wärmebehandlung
durchgeführt
wird. Hierdurch wird ermöglicht,
dass der Modenfelddurchmesser allmählich abnimmt, wenn er sich
weiter von dem Schmelz verspleißten
Teil entfernt. Weiterhin ist die Entfernung zwischen den Bogenentladungselektroden
gleich etwa 3 mm, und sind die Abmessungen einer Hochtemperaturzone
im Zentrum der Bogenentladung so, dass ein Durchmesser von etwa
1 mm bis 2 mm vorhanden ist. Daher ist es vorzuziehen, Y auf 2 mm
oder mehr einzustellen, um zu verhindern, dass sich die Hochtemperaturzone
mit der Lichtleitfaser überlappt,
wenn die Heizzentrumsposition zum Punkt P und zum Punkt Q gelangt. Weiterhin
wird vorzugsweise Z in Abhängigkeit
von der Differenz des Modenfelddurchmessers bestimmt; hierbei sollte
Z groß sein,
wenn die Differenz in Bezug auf den Modenfelddurchmesser groß ist.
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Die
Bogenentladung wird mit einem konstanten elektrischen Strom durchgeführt, und
die Bogenentladungselektroden werden mit konstanter Geschwindigkeit
bewegt. Allerdings wird im Falle der 1B deren Bewegung
einmal angehalten, um die Richtung der Bewegung am Punkt O zu ändern. Das
Antriebssystem des Elektrodenträgers 8 wird
durch einen Computer in einer Steuereinheit (nicht dargestellt)
gesteuert. Infolge der Zeitvorgabe eines Allzweckschnittstellenbusses
(GPIB) und des Spiels des Antriebssystems ist die Geschwindigkeit
der Bogenentladungselektrodenbewegung vor und nach dem Anhalten
so, wie dies in 2 gezeigt ist, und beträgt der Zeitraum,
in welchem die Bogenentladungselektroden nicht mit konstanter Geschwindigkeit
bewegt werden können,
etwa 580 ms, einschließlich
einer Verzögerungszeit,
einer Anhaltezeit und einer Beschleunigungszeit.
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Da
die Erwärmung
durch die Entladung während
eines derartigen Zeitraums weiter geht, schreitet die Erwärmung am
Punkt O stärker
fort als an anderen Punkten. Allerdings ist eine derartige, lange
Erwärmung dazu
vorteilhaft, die Diskontinuität
des Modenfelddurchmessers zu verringern, da der Punkt O ein Schmelz
verspleißtes
Teil darstellt, an welchem der Modenfelddurchmesser diskontinuierlich
ist, und welches am ehesten eine Erwärmung benötigt. Vorzugsweise wird der
Wärmebehandlungsvorgang
so durchgeführt,
dass die Erwärmungstemperaturen
der Bogenentladung in der Nähe
des Heizteils während
der Bogenentladung abgesenkt werden, durch Aussprühen eines
Inertgases, beispielsweise von Argongas, aus einem Atmosphärengasauslassrohr 6,
das konzentrisch in Bezug auf die Bogenentladungselektroden 4 angeordnet
ist. Ein Gehäuse
kann zu dem Zweck vorgesehen sein, die gesamte Heizeinheit abzudecken.
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Wenn
eine Wärmebehandlung
durchgeführt
wird, während
die Heizzentrumsposition entlang dem in 1B dargestellten
Verlauf verschoben wird, sind Punkte P und Q, an welchem ein Anhalten
auftritt, infolge der Umkehrung, mit Ausnahme des Schmelz verspleißten Teils
O, von der Lichtleitfaser beabstandet, so dass das Problem einer übermäßigen Erwärmung an
der Lichtleitfaser nicht auftritt. Da die Entfernung zwischen der Heizzentrumsposition
und der Lichtleitfaser ebenfalls größer wird, wenn sich die Heizzentrumsposition
von dem Schmelz verspleißten
Teil entfernt, nimmt die Erwärmung
einer Lichtleitfaser allmählich
ab, und nimmt auch die Ausbreitung eines Dotiermittels ab. Daher
wird ermöglicht,
erfolgreich das Ausmaß der
Diffusion des Dotiermittels zu ändern.
Auf diese Weise kann eine Lichtleitfaser erhalten werden, die ein
Schmelzverspleißungsteil
aufweist, bei dem ein kleiner Spleißverlust vorhanden ist.
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Bei
dem Beispiel von 1C wird während der Durchführung einer
Lichtbogenentladung zwischen den Lichtbogenelektroden 4 die
Heizzentrumsposition verschoben, in der Reihenfolge des Punktes
P'(0, –Y, –Z) → Punkt O(0,
0, 0) → Punkt
Q(0, Y, Z), mittels Durchführung
des Antriebs des Elektrodenträgers 8 gleichzeitig
sowohl in Richtung Y-Achse als auch der Z-Achse. Die Bewegung der
Bogenentladungselektroden wird einmal am Punkt O angehalten, und
die Elektroden bewegen sich mit konstanter Geschwindigkeit, mit
Ausnahme der Punkte O, P',
Q. Weiterhin wird die Bogenentladung dadurch durchgeführt, dass
ein konstanter elektrischer Strom angelegt wird. Auf diese Art und
Weise kann die Wärmebehandlung
im Falle der 1C gleich jener in 1B ausgebildet
werden. Im Gegensatz zum Verlauf der Bewegung von 1B,
die V-förmig
verläuft,
ist der Verlauf der Bewegung in 1C eine
gerade Linie. Daher kann im Falle der 1C der
Aufbau des Elektrodenträgers 8 vereinfacht
werden, da eine erforderliche Leistung mit nur einer Antriebsachse
erzielt werden kann, nur durch Einstellung der Richtung der Antriebsachse
des Antriebssystems des Elektrodenträgers 8 vorher auf
die Richtung einer geraden Linie.
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Bei
dem voranstehend geschilderten Verfahren sind die Bogenentladungselektroden
auf dem Elektrodenträger
angebracht, und bewegen sich, während
die Schmelz verspleißte
Lichtleitfaser ortsfest ist. Allerdings kann auch so vorgegangen
werden, dass die Lichtleitfaserhalteständer, welche eine Lichtleitfaser
haltern, auf einem beweglichen Träger angebracht sind, und die
Lichtleitfaser bewegt wird. Weiterhin kann eine Lichtbogeneinheit,
die zum Schmelzverspleißen
eingesetzt wird, zur Wärmebehandlung
eingesetzt werden, jedoch kann auch eine andere Lichtbogeneinheit
zur Wärmebehandlung
verwendet werden, da es Unterschiede in Bezug auf die Steuersysteme
zwischen einer zum Schmelz verspleißen verwendeten Einheit und
einer zur Wärmebehandlung
verwendeten Einheit gibt.
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4 zeigt
schematisch eine optische Übertragungsleitung 9,
welche die Lichtleitfasern 2 und 2' aufweist, die miteinander gemäß dem voranstehend
geschilderten Verfahren verspleißt sind. Die Markierung X gibt
den Verbindungspunkt an. Die optische Übertragungsleitung 9 ist
zwischen einem Sender 10 und einem Empfänger 11 vorgesehen.
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[Beispiel]
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Die
Endoberflächen
einer Single-mode-Lichtleitfaser, deren Modenfelddurchmesser etwa
12 μm betrug,
und einer Dispersionskompensations-Lichtleitfaser, deren Modenfelddurchmesser
etwa 4 μm–5 μm betrug,
wurden aneinander gefügt,
und es wurde das Schmelzverspleißen der beiden Lichtleitfasern
durchgeführt.
Nach dem Schmelzverspleißen
wurde der Spleißverlust
gemessen. Danach wurde eine Wärmebehandlung
durchgeführt,
durch Bewegung der Lichtbogenelektroden bei den Bewegungsgeschwindigkeiten
und den Verlaufsmustern, die in Tabelle I angegeben sind. Die Bewegungsverläufe des
Beispiels 1 und des Beispiels 2 waren jeweils so, wie in 1B gezeigt,
und der Bewegungsverlauf des Vergleichsbeispiels 1 erfolgte so, wie
dies in 3 gezeigt ist. Die Spleißverluste
bei den jeweiligen Beispielen wurden jedes Mal dann gemessen, wenn
die Heizzentrumsposition zum Punkt O zurückkehrte. Weiterhin wurde die
Entladung fortgesetzt, während
die Bewegung unterbrochen wurde, und betrug die Zeit zum Anhalten
etwa 580 ms, einschließlich der
Verzögerungszeit,
der Anhaltezeit und der Beschleunigungszeit. Die elektrischen Entladungsströme zwischen
den Lichtbogenelektroden 4 beim Beispiel 1, Beispiel 2, und dem
Vergleichsbeispiel 1 betrugen 13 mA, und während der Wärmebehandlungen wurde in der
Nähe des
Heizteils eine Atmosphäre
von Argongas bereitgestellt, durch Zuführung von Argongas von dem
Atmosphärengasauslassrohr 6 bei
einer Flussrate von 300 Milliliter pro Minute.
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Die
Ergebnisse der Messungen der Spleißverluste bei der Wellenlänge von
1,55 μm
sind in Tabelle I dargestellt.
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Wie
aus dem Beispiel 1 und dem Beispiel 2 hervorgeht, wurden die Spleißverluste
von 1,35 dB, was den Wert vor der Wärmebehandlung darstellt, auf
etwa 0,12 dB–0,14
dB verringert, mittels Durchführung
von Wärmebehandlungen
etwa drei Mal (anderthalb Umläufe)
bei dem Bewegungsverlauf, der in 1B gezeigt ist.
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Die
Ausbreitung eines Dotiermittels ist zu stark, und die Spleißverluste
neigen zur Erhöhung,
wenn die Erwärmung
vier Mal oder häufiger
durchgeführt
wird; daher ist eine etwa dreimalige Erwärmung optimal, um den Spleißverlust
zu verringern. Im Falle des Vergleichsbeispiels 1 nimmt der Spleißverlust
einen Wert von 2 dB nach der ersten Wärmebehandlung an. Dies erfolgt
möglicherweise
deswegen, da eine übermäßige Erwärmung infolge
des Anhaltens der Bewegung am Punkt B und Punkt C auftrat, und die
Ausbreitung des Dotiermittels zu stark war, so dass dort der Verlust
ansteigen konnte.
