DE60314444T2

DE60314444T2 - Fusionstemperaturkalibration

Info

Publication number: DE60314444T2
Application number: DE60314444T
Authority: DE
Inventors: Wei-Ping Huang; Kjell Ahlstedt; Ellef Hersoug; Christian New York GOTTLICHER PALAFOX
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2003-04-02
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2023-04-03
Also published as: ATE364857T1; WO2003096088A1; DE60314444D1; AU2003214760A1; US7343258B2; JP2006509220A; JP4440764B2; EP1567898A1; BR0316855A; CN100350286C; CN1714306A; EP1567898B1; AU2003214760A8; WO2003096088A8; US20060074516A1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Anordnungen zur Kalibrierung einer Schmelztemperatur in einem Spleißgerät für optische Fasern.
Beschreibung des Standes der Technik
Es ist wohl bekannt, dass eine Schmelztemperatur in einem Spleißer auf Grund von signifikanten Änderungen der Betriebsumgebung verändert wird, z.B. Änderungen einer Höhe, Temperatur und Feuchtigkeit usw.. Für die wohl definierte Betriebsumgebung kann die Schmelztemperatur immer noch auf Grund von Änderungen in den Elektrodenbedingungen variieren, z.B. Abnützung der Elektroden, dynamische Änderungen von Silica-Schichten, die auf den Elektroden abgelagert sind. Selbst für die gleichen Einstellungen der Schmelzparameter (z.B. Schmelzströme und Schmelzzeit usw.) kann begrenzte Toleranz in den Herstellungsprozessen von Spleißern ebenso in unterschiedlichen Schmelztemperaturen unter identischen Arten von Spleißern resultieren. Als eine Folge der Schmelztemperatur-Variation treten unbeständige Spleiß-Ergebnisse (z.B. in Form von Spleiß-Verlusten, Spleißstärke und Verlustschätzung usw.) in einem bestimmten Spleißer und/oder identischen Spleißern auf.
Während der letzten Dekaden haben viele Wissenschaftler ihre Anstrengungen gewidmet, um die Einwirkungen von unterschiedlichen Faktoren auf Spleiß-Prozesse zu studieren und modellieren, z.B. die Betriebsumgebung, die Elektrodenbedingungen und die Herstellungstoleranzen usw.. Bis heute wurden keine geeigneten Modelle für handelsübliche Spleißer erkannt, was primären technischen Gründen und einer eher komplizierten Natur der beteiligten Spleiß-Prozesse zugeschrieben werden könnte. Daher wurden statt eines Modellierens einzelner Faktoren, unterschiedliche Kalibrierungsprozesse zum Ableiten des integrierten Effektes dieser Faktoren vorgeschlagen und entwickelt, die direkt oder indirekt ein Messen einer Entladungshitze-Energie und/oder Schmelztemperatur einbeziehen. Das ist das so genannte Bogen-Test- oder das Bogen-Prüfungsverfahren.
Eines der oft erwähnten Verfahren ist das Faser-Zurückschmelz-Verfahren, das durch Sumitomo's Patent JP 5150132 und Fujikura's Patent US 5,009,513 offenbart ist. Bei den Verfahren werden die Faserenden mit einem bekannten Lückenabstand positioniert und dann durch den elektrischen Bogen erhitzt. Der Heizprozess verursacht einen Rückzug der Faserenden und resultiert in einem Anwachsen des Lückenabstands. Durch Messen des Betrages der Änderung in dem Lückenabstand kann die Entladungshitze-Energie bestimmt werden. Leider wurde entdeckt, dass der Rückzug der Faserenden stark von dem Grad der Bogen-Spreizung beeinflusst wird (z.B. Änderungen in der effektiven Breite des Bogen-Intensitätsprofils). Das Verfahren stellt daher die hohe Genauigkeit der Kalibrierung nicht bereit.
Eine andere Art von Verfahren sind die Versatz-Spleiß-Verfahren (siehe Ericsson's Patent, US 5,772,327 ; Fujikura's Patente US 4,948,412 und US 6,294,760 ). Bei diesen Verfahren werden zwei Fasern mit einem anfänglichen axialen Kern-/Hüll-Versatz gespleißt. Auf Grund von Oberflächenspannungs-Effekten tritt eine Verringerung des axialen Versatzes während der Spleißprozesse auf. Durch Messen der relativen Verringerung des Versatzes wird die Entladungshitze-Energie bestimmt. Obwohl diese Verfahren weniger sensitiv auf den Grad der Bogen-Spreizung sind, könnte jedoch der Prozess stark durch den „Bogen-Gang" beeinflusst werden, z.B. die räumliche Bewegung des Bogenintensitätsprofils auf Grund von dynamischen Änderungen von Silica-Schichten, die auf den Elektroden abgelagert sind. Der Bogen-Gang ändert die Energiemenge, die an dem Versatz-Spleißpunkt abgelagert wird, was wiederum in den unbeständigen Ergebnissen von einer Kalibrierung zur nächsten resultiert.
Die anderen Verfahren, wie zum Beispiel das Verfahren des barometrischen Sensors (siehe Fujikura's Patente EP 583155 und EP 504519 ) und das Verfahren der Elektroden-Impedanz-Detektion (siehe Furukawa's Patent JP9005559 ) beruhen hauptsächlich auf der Hardware-Konstruktion in dem Spleißer. Daher ist das Verfahren nicht anwendbar, um Unterschiede in den Schmelzströmen unter identischen Spleißern auf Grund von endlichen Toleranzen der Hardware-Komponenten zu kompensieren. Und die Verlässlichkeit dieser Verfahren kann ebenso unter denjenigen Komponenten leiden, die eine hohe Sensitivität zu der Betriebsumgebung aufweisen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Probleme, wie Verfahren zu entwickeln sind, die eine hohe Zuverlässigkeit und hohe Genauigkeit des Kalibrierens einer Schmelztemperatur in einem optischen Faser-Spleiß-Gerät ohne die Nachteile existierender Techniken bereitstellen können, wobei äußere Umstände nicht voll berücksichtigt werden.
Ein Ziel der Erfindung ist, ein zuverlässiges Kalibrierungsverfahren zu begründen.
Das Problem wird durch die Erfindung durch ein Verfahren zur Schmelztemperatur-Kalibrierung gelöst, bei dem Änderungen in Höhe und Bogen-Spreizung berücksichtigt werden.
Genauer wird das Problem durch die Erfindung durch ein Verfahren zum Kalibrieren einer Schmelztemperatur in einem optische-Faser-Spleiß-Gerät gelöst, bei dem Schmelzströme zu einem elektrischen Bogen, der das Faser-Spleißens heizt, bezüglich einer Höhe kompensiert werden, bei der die Kalibrierung durchgeführt wird.
Die Schmelztemperatur wird basierend auf einem Echtzeit-Detektieren einer Verringerung des Hüll-Durchmessers der Warm-Faser bestimmt, die an dem Mittelpunkt des elektrischen Bogens angeordnet ist. Die Schmelztemperatur-Bestimmung wird verwendet, um neue Ströme zu berechnen, die zum Ersetzen von Werten von erwarteten Schmelzströmen in unterschiedlichen Spleiß-Prozessen benötigt werden.
Ein Vorteil bei der Erfindung ist, dass das Verfahren gemäß der Erfindung eine hohe Verlässlichkeit und hohe Genauigkeit der Kalibrierung bereitstellt.
Die Erfindung wird nun in größerem Detail mit Hilfe der bevorzugten Ausführungen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 offenbart ein schematisches Diagramm, das eine Schmelzzeit-Abhängigkeit der Hülldurchmesser-Verringerung zeigt.
2 offenbart ein Diagramm, das die Korrelation zwischen dem Ziel-Schmelzstrom und der Schmelzzeit zeigt, die durch eine relative Verringerung des Hülldurchmessers definiert wird.
3 offenbart das Warm-Bild, das aus dem Vor-Schmelzprozess extrahiert wird, um die anfängliche Position des Bogen-Mittelpunktes zum Neupositionieren der Faserenden vor dem Spleißen zu bestimmen.
4 offenbart ein Lichtintensitätsprofil, das aus dem Warm-Bild bei der Position der dünnen Linie extrahiert wird, die in 3 angezeigt ist.
5A–5C offenbaren einen Vergleich einer CCD-Kamera-Sättigung für unterschiedliche Ziel-Schmelzströme.
6 offenbart ein Warm-Bild, das unter Verwendung typischer CCD-Kamera-Einstellungen erhalten wird.
7A–7D offenbaren Intensitätsprofile in sowohl der horizontalen als auch der vertikalen Richtung und ihre Analyse.
8 offenbart ein Diagramm, das eine Höhenabhängigkeit der Schmelzströme zeigt.
9A–9B offenbaren ein Flussdiagramm zur Schmelzstrom-Kalibrierung.
10 offenbart ein Flussdiagramm zur Schmelzstrom-Kompensation.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungen
Wenn eine optische Faser durch einen elektrischen Bogen erhitzt wird, liegt eine Temperatur in dem Mittelpunkt des Schmelzgebiets über 2000°C. Bei einer derart hohen Temperatur wird die Faser in dem Schmelzbereich verflüssigt. Da die Viskosität einer Flüssigkeit mit anwachsender Temperatur abnimmt, wird eine Temperaturabhängigkeit einer Viskositätsverteilung in dem Schmelzbereich erzeugt, die in tangentialen Kräften in der Umgebung der Hülle und/oder innerhalb der Faser resultiert. Als eine Folge tritt die Verringerung des Hülldurchmessers bei dem Mittelpunkt des elektrischen Bogens während einer ausgedehnten Schmelzzeit auf. Der Reduktionsbereich der Hülle wird durch Erhöhen einer Schmelzzeit auf Grund von Effekten der Viskosität und Oberflächenspannung ausgeweitet. Schließlich zerbricht die Faser. Der Verlauf dieses einzigartigen Phänomens ist schematisch in 1 mit Warm-Faser-Bildern gezeigt.
Während Experimenten entdeckten wir, dass die gesamte Schmelzzeit, bei der die signifikante Reduktion eines Hülldurchmessers auftritt, stark mit der Menge der Bogen-Entladungsenergie korreliert werden kann, die an der Faser abgelagert wird. Mit anderen Worten können für einen wohl definierten Ziel-Schmelzstrom (z.B. der Strom, der bei den Kalibrierungsprozessen verwendet wird) Variationen der Schmelztemperatur durch Messen des Betrages der wachsenden/abnehmenden Schmelzzeit abgeleitet werden, die durch die relative Reduktion des Hüll-Durchmessers definiert wird.
Um das einzigartige, in 1 gezeigte Phänomen zu auszunutzen, um die vollständigen Prozesse einer Schmelztemperatur-Kalibrierung zu formulieren, werden zwei optische Fasern (typischer Weise SMF28-Fasern) zusammen gespleißt und dann kontinuierlich mittels eines Nach-Schmelzprozesses mit einem wohl definierten Ziel-Strom erhitzt. Bei dem Nach-Schmelzprozess (z.B. dem Kalibrierungsprozess) werden zwei Warm-Bilder von zwei senkrechten Richtungen aufgenommen und der entsprechende Durchmesser der Warm-Faser wird durch Mitteln der gemessenen Werte aus den zwei senkrechten Richtungen berechnet. Dieser Abbildungsprozess wird periodisch mit einer Taktzeit von 150ms wiederholt und die Reduktion des Warm-Faserdurchmessers wird ebenso gleichzeitig überwacht. Wenn die Reduktion des Durchmessers die Schwelle erreicht (z.B. 95% des ursprünglichen Durchmessers), wird der Heizprozess beendet und die akkumulierte Gesamtschmelzzeit wird gezählt. Die Gesamtschmelzzeit wird daher zu dem effektiven Schmelzstrom überführt, der die Schmelztemperatur und/oder Entladungshitze-Energie darstellt. Das ist das so genannte Echtzeit überwachende RTM.
Wir müssen betonen, dass der Vorprozess eines Herstellens eines gewöhnlichen Spleißes nicht notwendiger Weise ein Teil des Kalibrierungsprozesses sein muss. Im Prinzip erfordert der Kalibrierungsprozess lediglich eine bloße Faser aufzuhitzen (z.B. eine Fenster-nackte Faser). In den Experimenten wird jedoch beobachtet, dass die Fensterabgemantelte Faser während Schmelzprozessen gebogen werden könnte, auf Grund des anfänglichen Versatzes zwischen dem linken und rechten Faser-Haltersystem bei Querrichtungen (x, y). Das Biegen könnte einen Fehler in die Messung der Warmfaserdurchmesser einbringen, der wiederum die Genauigkeit der Kalibrierung vermindert.
Daher wird in der vorliegenden Erfindung der Vorprozess des Herstellens eines gewöhnlichen Spleißes eingeführt, um eine automatische Selbst-Ausrichtung des Faser-Haltersystems zu erzeugen, um den Versatz zu entfernen. Alternativ könnte der Vorprozess zum automatischen Ausrichten des Faser-Haltersystems ebenso mit Hilfe der eingebauten Positionssensoren bei den Querrichtungen (x, y) in den Spleißer durchgeführt werden.
Durch genaues Studieren des einzigartigen, in 1 gezeigten Phänomens, werden die Korrelationen zwischen der Gesamtschmelzzeit t und den Ziel-Strömen I für die wohl definierte Reduktion des Hüll-Durchmessers experimentell bestimmt. Unter Verwendung eines Ericsson FSU15-Spleißers als ein Beispiel in 2 wird t als eine Funktion von I gezeichnet (hier I = 8,5; 9; 9,5; 10; 10,5; 11; 11,5mA). Wobei t durch die relative Reduktion des Hüll-Durchmessers Δ in der Warm-Faser definiert wird. Hier setzt Δ = 1 – D/D₀ = 5% die Schwelle, um die Kalibrierungsprozesse abzubrechen. Das D₀ und D sind die ursprünglichen und die reduzierten Hüll-Durchmesser der Warm-Faser, die während dem RTM-Prozess gemessen werden.
Die experimentellen Daten (durchgezogene Kreise), die in 2 gezeigt sind, werden unter den Bedingungen der „quasi-neuen Elektroden" aufgenommen (z.B. Elektroden, die typischer Weise für 20 normale Spleiße verwendet wurden). Jeder Datenpunkt stellt die durchschnittlichen Werte von 9 Spleißen dar, die von 3 identischen Spleißern erhalten werden. Der Fehlerbalken, der in 2 gezeigt ist, ist die Standardabweichung. Durch genaues Fitten der Daten entdeckten wir, dass die Beziehung zwischen t und I durch eine einfache exponentielle Zerfallsfunktion ausgedrückt werden kann (siehe die gestrichelte Linie in 2), das heißt: t = c1e=c2I (1)wobei c₁ und c₂ Fit-Konstanten sind.
Mit Hilfe der Gleichung (1) können die Variationen der Schmelztemperatur auf Grund von Änderungen der Betriebsumgebungen, der Änderungen der Elektrodenbedingungen und der Herstellungstoleranzen kalibriert werden. Für einen gegebenen Ziel-Schmelzstrom I_c,1 wird angenommen, dass die erwartete Schmelzzeit gemäß Gleichung (1) t₁ beträgt. Nach Ausführen des Kalibrierungsprozesses erhält man die gemessene Schmelzzeit t₂. Daher kann der effektive Schmelzstrom I_c,2 gemäß Gleichung (1) berechnet werden. Man erhält den Betrag des Schmelzstroms, der zur Kompensation benötigt wird: ΔIc = Ic,1 – Ic,2 (2)
Falls man annimmt, dass der Kompensationsstrom ΔI_c, der von einem gegebenen Ziel-Strom I_c,1 abgeleitet wird, auf alle Schmelzströme I_i (i = 1, 2 ...) bei Spleißprozessen angewendet werden kann, sollten die neuen Ströme I_New,i, die zum Ersetzen von Werten der Schmelzströme I_i bei unterschiedlichen Spleißprozessen verwendet werden, sein: INEW,i = Ii + ΔIc i = 1, 2, ... (3)
Die verbleibenden Fragen sind, wie ein geeigneter Ziel-Strom I_c,1 für die Kalibrierung gewählt wird und welche Fehlerbetrag gemäß der in der Gleichung (3) gegebenen Annahme eingeführt werden könnte.
Es ist klar, dass der optimale Haupt-Schmelzstrom I_Opt, im Prinzip als der Ziel-Strom für Kalibrierungsprozesse verwendet werden sollte, da der I_Opt einer der wichtigsten Parameter zum Erzielen der niedrigsten Spleißverluste ist. Auf Grund von praktischen Gründen jedoch kann man vorziehen, den Kalibrierungsprozess mit einem unterschiedlichen Ziel-Strom I_c,1 statt mit I_Opt durchzuführen (z.B. I_Opt ≠ I_c,1). Ericsson FSU15-Spleißer wird als Beispiel genommen. Falls jemand I_c,1 = I_Opt = 8 mA als den Ziel-Schmelzstrom setzt, wird die erwartete Zeit t₁ für einen Kalibrierungsprozess signifikant lange, t₁ ≈ 91 Sekunden. Es ist wohl bekannt, dass eine lange Schmelzzeit das Problem der Bogen-Instabilität verursachen kann. Um das Problem der Bogen-Instabilität zu vermeiden, könnte man I_c,1 bis zu einem gewissen Ausmaß erhöhen, z.B. unter Verwendung I_c,1 = 9,5mA (das entsprechende t₁ ≈ 11 Sek.), um den Kalibrierungsprozess zu beschleunigen. Daher ist es interessant, den Kalibrierungsfehler zu schätzen, falls man unterschiedliche Ziel-Ströme für die Kalibrierung verwendet.
Aus der Grundphysik lernt man, dass eine Schmelztemperatur T proportional zu der Bogen-Entladungsenergie oder zu dem Leistungsverbrauch während Schmelzprozessen ist, das heißt: T ∝ VI = (AP/ne)I2 (4)wobei V die Schmelzspannung ist, die auf die Elektroden angewendet wird, und n_e die Elektronendichte in dem Bogen ist, P der Luftdruck ist, und a eine proportionale Konstante ist. Für eine wohl definierte Höhe sind sowohl P als auch n_e Konstanten. Daher kann die Gleichung (4) durch Einführen einer anderen Konstante K neu geschrieben werden: T = KI2 (5)
Unter der Annahme, dass der Kompensationsstrom ΔI_c ist und Temperaturvariationen für die optimale Haupt-Schmelztemperatur und die Ziel-Schmelztemperatur ΔT_Opt bzw. ΔT₁ (T_Opt ≠ T₁) sind, erhält man: TOpt + ΔTOpt = K(IOpt + ΔIc)2 (6) T1 + ΔT1 = K(Ic,1 + ΔIc)2 (7)
Da ΔI_c ² << I_Opt ² und ΔI_c ² << I_c,1 ² können die Gleichungen (6)–(7) angenähert werden durch: TOpt + ΔTOpt ≈ K(IOpt 2 + 2IOptΔIc) (8) T1 + ΔT1 ≈ K(Ic,1 2 + 2Ic,1ΔIc) (9)
Durch Einsetzen der Gleichung (5) in (8) und (9) erhält man: ΔTOpt = 2KIOptΔIc (10) ΔT1 = 2KIc,1 ΔIc (11)das heißt: ΔTOpt = (IOpt/Ic,1)ΔT1 (12)
Unter der Annahme, dass der Versatzstrom zwischen I_Opt und I_c,1 ΔIOff ist (ΔI_Off = I_c,1 – I_Opt), kann der Fehler δ_Err in einer Schmelztemperatur-Kalibrierung auf Grund des Versatzstroms ΔI_Off geschätzt werden zu: ΔTOpt/ΔT1 = (1 – δErr) (13) δErr = ΔIOff/Ic,1 (14)
Falls (I_c,1 – I_Opt) ≥ 0 erhält man ΔT_Opt/ΔT₁ ≤ 1, was bedeutet, dass man die Schmelztemperatur mit dem Fehler von δ_Err überschätzt.
Auf der anderen Seite, falls (I_c,1 – I_Opt) < 0, erhält man ΔT_Opt/ΔT₁ > 1, was die Unterschätzung der Schmelztemperatur um δ_Err bedeutet.
Wenn man die Ableitung in der Gleichung 5 bildet, erhält man: ΔT ≈ 2KIΔI (15)
Durch Einsetzen von (5) in (15) erhält man: ΔT/T ≈ 2ΔI/I (16)
Die Gleichung (16) zeigt, dass die relative Änderung eines Schmelzstroms einen Faktor zwei kleiner als die der Schmelztemperatur ist. Daher könnte man den Fehler auf Grund von ΔI_Off,i = I_c,1 – I_i für unterschiedliche Schmelzströme I_i (i = 1, 2 ...) bei unterschiedlichen Spleißprozessen schätzen durch: δErr,i (Ii) = 0,5 (Ic,1 – Ii)/Ic,1 (17)
Um eine genaue Kalibrierung durchzuführen, führen wir einen Fehler-Korrekturfaktor δ_i zum Kompensieren des Fehlers bei dem Kalibrierungsprozess ein. Daher kann die Gleichung (3) neu geschrieben werden durch: INew,i = Ii + δiΔIc; i = 1, 2... (18) δi = 1 – δErr,i = 1 – 0,5 (Ic,1 – Ii)/Ic,1 (19)wobei i = 1, 2... die Zahl der Schmelzströme ist, die zur Kompensation benötigt werden. Für einen Ericsson FSU15FI-Spleißer (i = 1, 2...6) sind diese Ströme der Vor-Sicherungsstrom, der Lücken-Strom, der Überlappungs-Strom, der Haupt-Strom, der Zieh-Strom und der Entspannungs-Strom in unterschiedlichen Spleißprozessen.
Weiterhin ist es ebenso interessant, zu überprüfen, welches der beste Bereich zum Einstellen der Ziel-Ströme I_c,1 ist, um die Kalibrierung durchzuführen, und was die geschätzte Genauigkeit bezüglich der Schmelzstromkompensation ist.
Durch genaue Überprüfung von 2 findet man, dass der beste Bereich zur Kalibrierung sein würde, I_c,1 zwischen 9,5~9 mA zu setzen (die entsprechende Zeit würde t₁ ≈ 11~21 Sek. betragen). Dies geschieht, da die Kalibrierungszeit in diesem Bereich signifikant kürzer im Vergleich zu derjenigen unter Verwendung des optimalen Haupt-Schmelzstromes ist (I_Opt = 8mA, t₁ ≈ 91 Sek.), und der Kalibrierungsfehler, der zum Kompensieren benötigt wird, ebenso klein ist, ungefähr 6%~8% gemäß der Gleichung (17).
Zur Schätzung der Genauigkeit in dem Prozess nehmen wir an, dass Schmelzströme um ±0,1mA in dem Bereich I_c,1 ≈ 9,5~9,0 mA variiert werden. Gemäß 2 erhält man die auflösende Zeit von ungefähr 1,5~3 Sekunden mit dem statistischen Fehlerbalken von ungefähr 0,2~1,2 Sekunden. Dies impliziert, dass die Hochgenauigkeits-Kalibrierung besser als 0,1 mA bei dem Kalibrierungsprozess erreicht werden könnte.
Das Konzept des Bogen-Neuzentrierens wurde zuerst von W. Huang et. al. vorgeschlagen (siehe Ericsson's Patent WO01/86331 ). Bei dem Konzept werden Warm-Bilder, die bei den Spleißprozessen erhalten werden, bewertet, um Positionen der Bogen-Mitte zum Setzen der besten Spleißpunkte in einer Abfolge von Spleißen vorherzusagen. Im Gegensatz zu dem vorherigen Verfahren der Vorhersage dehnen wir in der vorliegenden Erfindung das Konzept des Bogen-Neuzentrierens aus, um direkt Faserenden in Bezug auf die Bogen-Mitte neu zu positionieren, die in dem Vor-Schmelzprozess vor einem Spleißen detektiert wird. Das ist der so genannte direkte Bogen-Neuzentrierungs-Prozess.
3 zeigt das Warm-Bild, das aus dem Vor-Schmelzprozess extrahiert wird, der gewöhnlicher Weise zum elektrischen Reinigen entwickelt wird, um Mikrostäube auf der Oberfläche von optischen Fasern zu entfernen. Man kann feststellen, dass die thermische Lichtemission von einer Luftentladung in einem Schmelzbereich durch eine Ladungs-gekoppelte-Gerät-Kamera (CCD-Kamera) beobachtet werden kann. Da die Lichtemission direkt mit der Bogen-Intensitätsverteilung korreliert ist, kann daher eine Information über eine räumliche Bewegung des Bogens vor einer Kalibrierung durch genaues Analysieren einer emittierten Lichtintensitäts-Verteilung in der Luftentladung erhalten werden.
Das Lichtintensitätsprofil einer Luftentladung wurde aus dem Warm-Bild bei der Position der dünnen linie extrahiert, die in 3 gezeigt ist. Das Profil wird in 4 gezeichnet. Mit Hilfe von Warm-Bild analysierenden Techniken (dies wird in dem nächsten Abschnitt erläutert) wird die anfängliche Position der Bogen-Mitte X₀ (hier X₀ ≈ 359,5 Bildpunkte) bestimmt. Die Positionen von linken und rechten Faserenden werden daher in Bezug auf die Bogen-Mitte neu positioniert. Daher wird der Bogen bezüglich des Spleißpunktes neu zentriert und Probleme der Bogen-Spreizung und des Bogen-Gangs bei Kalibrierungsprozessen werden unterdrückt.
Für einen automatischen Schmelz-Spleißer wird die CCD-Kamera zusammen mit einem Bildprozessor für eine Bildanalyse verwendet. Um den dynamischen Bereich des Bild-Systems zu erhöhen, weist die CCD-Kamera gewöhnlich eine eingebaute, Autoverstärkungs-Steuerungsfunktion (AGC-Funktion) auf, die durch Steuerparameter definiert wird, z.B. die Integrationszeit (IT) und die Verstärkung (G) des Vorverstärkers.
Wenn der elektrische Bogen die Faser aufheizt, kann die Lichtemission von der festen Plasma-Anregung innerhalb einer Faser ebenso durch die CCD-Kamera beobachtet werden. Das Lichtemissionsspektrum deckt einen weiten Bereich von UV bis Infrarot ab. Die CCD-Kamera reagiert am meisten auf das sichtbare Licht. Und die Lichtintensitätsverteilung, die von der CCD-Kamera erhalten wird, hängt stark von den CCD-Einstellungen ab (z.B. IT und G).
5 zeigt ein typisches Beispiel eines Warm-Bildes, das von der CCD-Kamera in dem Ericsson FSU15-Spleißer mit festen CCD-Einstellungen (z.B. IT = 1/2000Sek und G = 5dB) für unterschiedliche Ziel-Ströme von 8,5mA, 9mA bzw. 10mA erhalten wird. Man kann erkennen, dass, falls der Schmelzstrom niedrig ist (siehe 5A) der Kern der Faser deutlich in einem Warm-Bild beobachtet wird (z.B. die Weißlinie in der Mitte des Bildes). Für hohe Schmelzströme entsteht eine helle Zone in den Warm-Bildern (siehe 5B und 5C) und die Breite der Zone erhöht sich mit Erhöhen der Schmelzströme, was den Grad der CCD-Kamera-Sättigung anzeigt.
Bei normalen Spleißanwendungen muss die AGC-Funktion aktiv sein, um die Sättigung der CCD-Kamera zu entfernen, so dass die Information von dem Faserkern zum Analysieren von Spleißergebnissen extrahiert werden kann, z.B. Schätzen von Spleißverlusten. Bei der vorliegenden Anwendung der Kalibrierung jedoch sind die wichtigste Information, die aus den Warm-Bildern extrahiert werden muss, die Änderungen des Hüll-Durchmessers, die an der Bogen-Mitte entstehen, eher als die Information des Faserkerns.
Aus 5C erkennt man, dass, obwohl die Information von dem Kern in dem Schmelzbereich beinahe verloren ist, der Kontrast der Lichtintensität zwischen der Hülle und dem Hintergrund jedoch im Vergleich zu der in 5A–5B gezeigten signifikant verstärkt ist. Dies impliziert, dass man zusätzlich die CCD-Kamera in dem Bereich von Interesse sättigen könnte (z.B. in dem Bereich von I_c,i = 8,5~9,5mA), um den Intensitätskontrast an der Hüll-Kante zu verbessern, was wiederum den Prozess der Warm-Bild-Analyse vereinfachen würde.
Um die Idee klar zu stellen, simulieren wir die digitalisierenden Prozesse der Bild-Analyse für 5C wie folgt.
6 zeigt ein Warm-Bild, das unter Verwendung typischer CCD-Kamera-Einstellungen erhalten wird, z.B. IT = 1/2000 Sek. und G = 5dB. Der Kreuz-Cursor in 6 zeigt die Position an, an der sowohl die horizontalen als auch die vertikalen Intensitätsprofile extrahiert werden. Die Durchschnittswerte einer „5-Bildpunkte-Cursor-Breite" werden durchgängig in der Datenextraktion aus 6 verwendet, so lange nicht anders beschrieben.
Im Gegensatz zu der Messung der anfänglichen Bogen-Mitte X₀ werden die Positionen der Bogen-Mitte X_c während einer Kalibrierung unter Verwendung der Lichtemission von der Faser statt von der Luftentladung extrahiert. Die Position der Bogen-Mitte X_c wird an der Position von ungefähr einer ¼ Breite der Warm-Faser bestimmt, die durch den Kreuz-Cursor in der horizontalen Richtung in 6 gezeigt wird. Auf Grund der CCD-Sättigung (die Sättigungsschwelle beträgt 255 Graustufen in diesem Fall) zeigt die Intensitätsverteilung ein abgeflachtes Gauß-Profil. Daher könnte man einfach die Breite des effektiven Bogen-Bereichs ω = 581 – 155 = 426 Bildpunkte und die Position der Bogen-Mitte X_c = 426/2 + 155 = 368 Bildpunkte ableiten (siehe 7A).
Mit der Technik der Bogen-Mitte-Detektion, kann der Bogen-Gang, der durch ΔX = X_c – X₀ definiert ist, in Echtzeit überwacht werden (hier ist der Bogen-Gang ΔX = 368 – 359,5 = 8,5 Bildpunkte). Falls signifikante Änderungen der Bogen-Mitte-Positionen (z.B. ΔX ≥ 20 μm) während des Kalibrierungsprozesses gefunden werden, wird eine Warnung an den Bediener ausgegeben. Daher eröffnet diese Technik die Möglichkeit für den Bediener, den Kalibrierungsprozess zu steuern und die Kalibrierung nochmals durchzuführen. Daher kann der Kalibrierungsfehler auf Grund des Bogen-Gangs weiter begrenzt werden.
7B zeigt das Intensitätsprofil des Warm-Faser-Durchmessers, der bei der in 3 gezeigten Position der anfänglichen Bogen-Mitte extrahiert wird (X₀ = 359,5 Bildpunkte). Wieder wird ein abgeflachtes Gauß-Profil erhalten. Offensichtlich stellt die Breite des Profils D in 7B den Hüll-Durchmesser der Warm-Faser dar. Um den Hüll-Durchmesser D genau zu bestimmen, wird ein ausgefeilteres Verfahren verwendet, z.B. „die Ableitungen des Profils".
In 7C und 7D zeichnen wir die erste Ableitung und die zweite Ableitung des in 7B gezeigten Hüll-Durchmesser-Profils. Man kann erkennen, dass in beiden Fällen sehr klare Spitzen oberhalb des Rauschens ausgeprägt sind. Die erste Ableitung scheint ein niedrigeres, relatives Rauschen aufzuweisen, das ein besseres Profil zur Analyse bereitstellt. Es ist klar, dass die Entfernung zwischen den in 7C gezeigten positiven und negativen Spitzen die präzise Messung des Hüll-Durchmessers D ergibt. Es gibt unterschiedliche Weisen, um die Entfernung zu berechnen. Eine der einfachen Weisen die Entfernung zu erhalten ist es, den Koordinatenunterschied zwischen dem maximal- und dem minimal Wert in dem Profil zu messen (z.B. D = 157,22 Bildpunkte in diesem Fall). Um den Einfluss von Rauschen in der Analyse zu begrenzen könnte man eine Schwelle setzen (z.B. ± 50 Graustufen), um das Rauschen zu filtern/entfernen.
Unsere vorherigen Studien zeigen, dass signifikante Änderungen der Höhe einen sehr starken Einfluss auf die Schmelztemperatur erzeugen können. In 8 werden die Kompensations-Schmelzströme als eine Funktion der Höhe und der ursprünglichen Haupt-Schmelzströme gezeichnet (z.B. 10, 12, 14 und 16mA). Das Diagramm zeigt, dass Schmelzströme um ungefähr 70% erhöht werden müssen, um die optimale Schmelztemperatur aufrecht zu erhalten, falls die Höhe um 5000 Meter erhöht wird.
Aus dem in 2 gezeigten Kalibrierungsmodell gibt man dem gesamten Kalibrierungsbereich ungefähr ± 2mA. Berücksichtigt man einen Skalierungsfaktor in einem FSU15-Spleißer ist der entsprechende Bereich bezüglich der Höhe ungefähr zwischen ± 2000 Metern. Das impliziert, dass der vorliegende Kalibrierungsprozess Änderungen in der Höhe von ±1000 Metern ohne Probleme handhaben kann. Jedoch muss für eine große Anhebung der Höhe ein zusätzliches Verfahren zum Kompensieren des starken Effekts der Höhe eingeführt werden.
Durch genaues Fitten der in 8 gezeigten Daten, kann die Höhenabhängigkeit des Fusionsstroms durch eine parabolische Annäherung ausgedrückt werden: I*i = h1Ij + (h2H + h3Ij + h4)2 + h5 (20)wobei H die Höhe ist. I_j(j = 1, 2, ...) sind die Schmelzströme vor einer Kompensation, während I*_j (j = 1, 2, ...) die Kompensationsströme sind, die bei dem Kalibrierungsprozess verwendet werden. Die h_k(k = 1, 2, ...5) sind Fit-Parameter.
Daher sollten die Gleichungen (18) und (19), die zum Kompensieren von Schmelzströmen in unterschiedlichen Spleißprozessen verwendet werden, neu geschrieben werden als: INew,i = I*i + δiΔIc; i = 1, 2...6 (21) δi = 1 – δErr,i = 1 – 0,5(Ic,1 – Ii)Ic,1 (22) I*i = h1Ii + (h2H + h3Ii + h4)2 + h5 (23)
Um einen automatischen Prozess zur Höhenkompensation zu entwickeln, muss die Höhe H automatisch detektiert werden. Es gibt viele Verfahren, um den Wert H zu erhalten, z.B. unter Verwendung eines eingebauten handelsüblichen Höhenmessers in dem Spleißer, oder durch E eines H-Wertes einfach durch eine fundierte Vermutung mit verfügbarem Wissen und Information.
In der vorliegenden Erfindung schlagen wir ein Verfahren vor, um einen Höhenmesser unter Verwendung eines barometrischen Drucksensors zu konstruieren. Gemäß grundlegender Physik (siehe Concise Encyclopedia of Science and Technology, McGraw Hill, 3^rd edition 1994, in dem Artikel Druck-Höhenmesser) wird die Beziehung zwischen der Höhe und dem Druck ausgedrückt durch:
wobei P und H der barometrische Standarddruck bzw. die Höhe sind. Die Gleichung kann für die Höhe bis zu 4500 Metern oberhalb des Meerespegels verwendet werden. Die b₁, b₂ und b₃ sind die Fit-Parameter und der b₄ ist die Kalibrierungskonstante des Drucksensors.
Gemäß der obigen Erläuterung wird ein Verfahren der „Bogen-Prüfung" für eine Schmelztemperatur-Kalibrierung entwickelt und in Ericsson FSU15-Spleißern implementiert. Die Kalibrierungsprozesse werden in dem Programm-Flussdiagramm dargestellt, das in 9A und 9B gezeigt ist.
Um die optimale Schmelztemperatur wieder zu erlangen, werden das Kalibrierungsergebnis ΔI_c und die Höhe H automatisch aufgerufen, um Schmelzströme in unterschiedlichen Schmelzprozessen zu kompensieren. Das Arbeitsprinzip wird von dem Programm-Flussdiagramm in 10 gezeigt.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf das oben beschriebene und die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungen beschränkt, sondern kann innerhalb des Umfangs der angefügten Ansprüche modifiziert werden.

Claims

Verfahren zum Kalibrieren einer Schmelztemperatur in einem Spleißgerät für optische Fasern, in dem die Schmelzströme in bezug auf eine Höhe kompensiert werden, wobei die Kalibrierung dadurch gekennzeichnet durchgeführt wird, dass die Schmelztemperatur basierend auf einer Echtzeit-Detektion einer Reduktion eines Hülldurchmessers einer Warm-Faser bestimmt wird, die an der Mitte eines elektrischen Bogens positioniert ist, wobei die Temperaturbestimmung verwendet wird, um neue Ströme zu berechnen, die in unterschiedlichen Spleiß-Prozessen benötigt werden.
Verfahren zum Kalibrieren einer Schmelztemperatur in einem Spleißgerät für optische Fasern nach Anspruch 1, wobei das Verfahren weiter die folgenden Schritte umfasst: – Platzieren zweier optischer Fasern mit ihren Endbereichen zueinander ausgerichtet und ihren Endoberflächen in engem Kontakt zueinander – Einstellen der Schmelzströme I * / i basierend auf einen Messen der Höhe mithilfe eines eingebauten Höhenmessers durch Verwenden einer Gleichung 20 (I*_i = h₁I_j + (h₂H + h₃I_j + h₄)² + h₅); – Starten des elektrischen Bogens mit einem Vor-Schmelzstrom, um die optischen Fasern zu reinigen und Detektieren einer anfängichen Position einer Bogen-Mitte (X₀); – Neupositioniren der Faserenden in Bezug auf die Bogen-Mitte (X₀); – Starten des elektischen Bogens mit einem Hauptschmelzstrom, Heizen eines angrenzenden Punktes der zwei optischen Fasern und Zusammen-Verbinden dieser, um einen Spleiß bereitzustellen; – Messen des anfänglichen Hülldurchmessers der Warmfaser, Erstezen des Haupt-Schmelzstroms durch einen Zielstrom (I_c,1), Schätzen einer entsprechenden Zeit (t_c,1) unter Verwendung einer Gleichung 1 (
) und Starten des Kalibrierungsprozesses; – kontinuierliches Heizen des angrenzenden Punktes mit dem Zielstrom (I_c,1) und Messen der Reduktion des Hülldurchmessers der Warm-Faser, bis der Durchmesser einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht; – Stoppen des elektrischen Bogens, Berechnen einer gesamten Schmelzzeit (t₂), die auf den Kalibrierungsprozess verwendet wurde, und Ableiten eines entsprechneden Stromes (I_c,2) unter Verwendung der Gleichung 1 (
) – Berechen einer Menge des Schmelzstromes, die zur Kompensation ΔI_c (ΔI_c = I_c,1 – I_c,2) benötigt wird; – Berechnen von Korrekturfaktoren δ_i (δ_i = 1 – 0,5(I_c,1 – I_i)/I_c,1) zum Kompensieren eines Stromunterschieds zwischen dem Zielstrom, der bei dem kalibrierungsprozess verwendet wird, und Strömen, die bei unterschiedlichen Spleiß-Prozessen verwendet werden; – Berechnen neuer Ströme I_New,i (I_New,i = I_i + δ_iΔI_c), die zum Ersetzen von Werten erwarteter Schmelzströme in unterschiedlichen Spleiß-Prozessen verwendet werden.
Verfahren zum Kalibrieren einer Schmelztemperatur in einem Spleißgerät optische Fasern nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfasst: – Messe eine Bogen-Intensitätsverteilung durch Beobachten thermischer Lichtemission von einer Luft-Entladung in dem Schmelzbereich; – Schätze eine Position der Bogen-Mitte (X_c) durch Beobachten räumlicher Bewegung des Bogens während der Kalibrierung; – Berechne einen Bogen-Gang (ΔX = X_c – X₀) während einer Kalibrierung; – Erzeuge ein Warnsignal, falls der Bogen-Gang einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Verfahren zum Kalibrieren einer Schmelztemperatur in einem Spleißgerät für optische Fasern nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der Höhenmesser durch Verwenden eines barometrischen Sensors konstruiert ist, wobei die Beziehung zwischen der geschätzten Höhe und dem gemessenen Druck durch
ausgedrückt werden kann.
Verfahren zum Kalibrieren einer Schmelztemperatur in einem Spleißgerät für optische Fasern nach einem der Ansprüche 1–4, wobei der entsprechende Durchmesser der Warm-Faser durch ein weiteres Verfahren gemessen wird, das einen Durchschnitt von zumindest zwei Warm-Bildern verwendet, die aus unterschiedlichen Winkeln des Heizbereiches aufgenommen werden.
Verfahren zum Kalibrieren einer Schmelztemperatur in einem Spleißgerät für optische Fasern nach Anspruch 5, wobei das weitere Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Starten des elektrischen Bogens mit dem Zielstrom; – beabsichtigtes Sättigen einer CCD-Kamera durch Sperren einer AGC-Funktion und Verwenden von vordefinierten CCD-Einstellungen; – Aufnehmen von Bildern der Warm-Faser aus zwei senkrechten Richtungen und Extrahieren der Intensitätsprofile; – Aufnehmen einer ersten Ableitung der Intensitätsprofile und Ableiten des Durchmessers der Warm-Faser durch Verwenden eines mittelnden Wertes, der aus zwei senkrechten Richtungen der Warm-Bilder erhalten wird.
Anordnung zum Kalibrieren einer Schmelztemperatur in einem Spleißgerät für optische Fasern, wobei die Anordnung eine Vorrichtung aufweist, die angepasst ist, Schmelzströme in Bezug auf eine Höhe zu kompensieren, bei der die Kalibrierung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Vorrichtung umfasst, die Schmelztemperatur basierend auf einer Echtzeit-Detektion einer Reduktion des Hülldurchmessers einer Warm-Faser zu bestimmen, die an der Mitte eines elektrischen Bogens positioniert ist, wobei die Temperaturbestimmung verwendet wird, um neue Ströme zu berechnen, die bei unterschiedlichen Spleiß-Prozessen benötigt werden.
Anordnung zum Kalibrieren einer Schmelztemperatur in einem Spleißgerät für optische Fasern nach Anspruch 7, wobei die Anordnung umfasst: – eine Vorrichtung zum Platzieren zweier optischer Fasern mit ihren Endbereichen zueinander ausgerichtet und ihren Endoberflächen in enger Verbindung; – eine Vorrichtung zum Einstellen der Schmelzströme I * / i basierend auf einem Messen der Höhe mithilfe eines eingebauten Höhenmessers durch Verwenden einer Gleichung 20 (I*_i = h₁I_i + (h₂H + h₃I_j + h₄)² + h₅); – eine Vorrichtung zum Starten des elektrischen Bogens mit einem Vor-Schmelzstrom, um die optischen Fasern zu reinigen und zum Detektieren einer anfänglichen Position einer Bogenmitte (X₀); – eine Vorrichtung zum Neu-Positionieren der Faserenden in Bezug auf die Bogen-Mitte (X₀); – eine Vorrichtung zum Messen des anfänglichen Hülldurchmessers der Warm-Faser, zum Ersetzen des Haupt-Schmelzstroms durch einen Ziel-Strom (I_c,1), Schätzen einer entsprechenden Zeit (t_c,1) unter Verwendung einer Gleichung 1 (
) und zum Starten des Kalibrierungsprozesses; – eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Heizen des angrenzenden Punktes mit dem Ziel-Strom (I_c,1) und zum Messen der Reduktion des Hülldurchmessers der Warm-Faser, bis der Durchmesser einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht; – eine Vorrichtung zum Stoppen des elektrischen Bogens, zum Berechnen einer gesamten Schmelzzeit (t₂), die auf den Kalibrierungsprozess verwendet wird und zum Ableiten eines entsprechenden Stromes (I_c,2) unter Verwendung der Gleichung 1 (
); – eine Vorrichtung zum Berechnen einer Menge eines Schmelzstroms, die zur Kompensation ΔI_c (ΔI_c = I_c,1 – I_c _, ₂) benötigt wird; – eine Vorrichtung zum Berechnen von Korrekturfaktoren δ_i (δ_i = 1 – 0,5(I_c,1 – I_i)/I_c,1) zum Kompensieren von Stromunterschieden zwischen dem Zielstrom, der bei dem Kalibrierungsprozess verwendet wird und Strömen, die bei unterschiedlichen Spleißprozessen verwendet werden; – eine Vorrichtung zum Berechnen neuer Ströme I_New,i; (I_New,i = I_i + δ_iΔI_c), die zum Ersetzen von Werten von erwarteten Schmelzströmen bei unterschiedlichen Spleißprozessen benötigt werden.
Anordnung zum Kalibrieren einer Schmelztemperatur in einem Spleißgerät für optische Fasern nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Anordnung umfasst: – eine Vorrichtung um eine Bogen-Intensitätsverteilung durch Beobachten thermischer Lichtemission von einer Luft-Entladung in dem Schmelzbereich zu messen; – eine Vorrichtung um eine Position der Bogen-Mitte (X_c) durch Beobachten einer räumlichen Bewegung des Bogens während der Kalibrierung zu schätzen; – eine Vorrichtung um einen Bogen-Gang (ΔX = X_c – X₀) während der Kalibrierung zu berechnen; – eine Vorrichtung um ein Warnsignal zu erzeugen, falls der Bogen-Gang einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Anordnung zum Kalibrieren einer Schmelztemperatur in einem Spleißgerät für optische Fasern nach einem der Ansprüche 7–9, wobei die Anordnung umfasst: – eine Vorrichtung zum Starten des elektrischen Bogens mit dem Zielstrom; – eine Vorrichtung zum absichtlichen Sättigen einer CCD-Kamera durch Sperren einer AGC-Funktion und durch Verwenden vordefinierter CCD-Einstellungen; – eine Vorrichtung zum Aufnehmen von Bildern der Warm-Faser aus zwei senkrechten Richtungen und zum Extrahieren von Intensitätsprofilen; – eine Vorrichtung zum Aufnehmen einer ersten Ableitung der Intensitätsprofile und zum Ableiten des Durchmessers der Warm-Faser durch Verwenden eines mittelnden Wertes, der aus den zwei senkrechten Richtungen der Warm-Bilder erhalten wird.