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Verwandte Anmeldungen
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Diese Erfindung steht mit einer ebenfalls
anhängigen,
US-Patentanmeldung der gleichen Anmelderin mit dem Titel "Fiber Optic Terminus
and Manufacturing Method therefor" (Aktenzeichen. S-5393) in Beziehung.
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Technisches
Gebiet
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Diese Erfindung bezieht sich auf
faseroptische Verkabelung und insbesondere auf einen Faseroptik-Endbereich
dafür,
der weniger anfällig
für eine
Beschädigung
oder eine Verschlechterung in einer anspruchsvollen Betriebsumgebung
ist, und insbesondere auf einen Verbindungsvorgang zum Herstellen
eines derartigen Faseroptik-Endbereichs. Ferner werden ein bevorzugtes
Endbereich-Endprofil, eine Inspektionstechnik und Akzeptanzkriterien
zum Bestimmen der Wirksamkeit des Faseroptik-Endbereichs beschrieben.
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Hintergrund
der Erfindung
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Faseroptiken werden zunehmend zur Übertragung
von großen
Bandbreiten von Daten bei hohen Datenübertragungsraten verwendet.
Basierend auf den Materialkosten und Arbeitskosten, die mit dem
Herstellen eines Faseroptik-Simplexkabels verbunden sind, wird die
Verwendung von Faseroptiken typischerweise kosteneffizient (d. h.,
verglichen mit einem herkömmlichen
Metallkabel), wenn die Datenraten ungefähr 100.000 Bits (bps) überschreiten.
Heute sind die Anwendungen für
Faseroptiken typischerweise auf Telekommunikation, Kabelfernsehen
und sehr fortgeschrittene Luft- und Raumfahrzeuge beschränkt. In
Bezug auf Letztere werden Faseroptiken extensiv bei dem Boeing/Sikorsky RAH-66
Comanche-Hubschrauber, dem Lockheed Martin/Boeing F-22-Jagdflugzeug und
der Raumstation "Freedom" der NASA verwendet.
Natürlich
wird, wenn die Herstellverfahren automatisiert werden und die Materialkosten
abnehmen, die Verwendung von Faseroptiken sogar bei weniger anspruchsvollen
Datenübertragungsanwendungen,
beispielsweise der Automobilindustrie, attraktiver.
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Die prinzipiellen Vorteile von Faseroptiken
umfassen Gewicht, Materialkosten und Größe, wenn sie mit einem konventionellen
verdrillten, abgeschirmten Paar von Kupferdrähten verglichen werden. Zunächst wiegt ein
Faseroptik-Simplexkabel, für
die gleiche "Datenübertragungskapazität", etwa 0,0003% des
Gewichts eines herkömmlichen
verdrillten, abgeschirmten Paars. Beispielsweise wiegt, ein faseroptisches
Kabel von 10 Fuß Länge mit
der Kapazität,
Daten mit einer Rate von 5 × 108 bps zu übertragen,
etwa 0,009 kg verglichen mit etwa 30,0 kg für ein Kupferdrahtbündel mit
der gleichen Datenübertragungskapazität. Ähnlich betragen
die Materialkosten des beschriebenen 10 Fuß-Segments etwa 0,07% der Kosten,
die mit einem verdrillten, abgeschirmten Paar von vergleichbarer
Länge verbunden
sind. Außerdem
misst der Durchmesser des Bündels
bei dem Faseroptikkabel etwa 0,1586 cm gegenüber etwa 12,7 cm bei dem Segment
von verdrillten, abgeschirmten Paaren.
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Noch zusätzliche Vorteile, die insbesondere
in der Luft- und Raumfahrtindustrie wichtig sind, umfassen Schutz
gegen elektromagnetische Interferenz (EMI) und potenzielle Feuerrisiken.
Bezogen auf das Erstgenannte, ist eine herkömmliche Kupferverdrahtung,
die in einem Luftfahrzeug verwendet wird, zum Verhindern einer elektromagnetischer
Interferenz oder von "Übersprechen" zwischen Systemen
stark abgeschirmt. Man wird erkennen, dass ein derartiger Schutz
insbesondere für
kritische Luftfahrzeugflugsysteme wichtig ist, beispielsweise bei
einem automatischen Flugkontrollsystem (Automated Flight Control
System – AFCS),
bei welchem ein Übersprechen
zwischen Systemen Streusignale in eines der kritischen Flugsysteme
einbringen kann. Im Gegensatz dazu sind Faseroptik-Filamente nicht
elektrisch leitend und folglich unempfindlich für EMI. Hinsichtlich Letzterem
können
die elektrischen Verbindungen, die einer herkömmlicher Kupferverdrahtung
zugeordnet sind, einen Funken schlag erzeugen und folglich einen
Funken, der ein potenzielles Feuerrisiko sein kann. Man wird erkennen,
dass bei einem Luftfahrzeug, das etwa 30% seines Gewichts als Flugbenzin
trägt, die
elektrischen Verbindungen stark geschützt/isoliert sein müssen und
vorzugsweise von den Treibstofftanks/Treibstoffleitungen entfernt
angeordnet sein müssen.
Im Gegensatz dazu erzeugen Faseroptik-Verbindungen keinen Funkenschlag,
und folglich können
sie keine Zündquelle
werden.
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Trotz der zahlreichen Vorteile von
Faseroptiken bleiben einige Nachteile, hinsichtlich der Unempfindlichkeit/Zuverlässigkeit
der Faseroptikkabel/Faseroptik-Endbereiche
bestehen, insbesondere wenn Faseroptiken an anspruchsvolle Betriebsumgebungen
angepasst werden. Das heißt,
man wird erkennen, dass die optische Faser, die in derartigen Kabeln
vergewendet wird, extrem empfindlich und anfällig für Beschädigungen ist, besonders wenn
sie für
die Verwendung in einer Umgebung mit starken Schwingungen und/oder
hoher Temperatur angepasst sind. Beispielsweise können Schwingungsbelastungen
verusachen, dass ein kleiner Fehler, d. h. ein kleiner Bruch, der
bei dem Herstellprozess eingebracht wurde, sich in der optischen
Faser ausbreitet und einen frühzeitigen
Ausfall des Faseroptik-Kabels verursacht. Man wird erkennen, dass
sogar kleine Brüche
in der optischen Faser die Übertragung
der Datenverbindungssignale schwerwiegend beeinträchtigen oder
gänzlich
unterbinden können.
Ferner können
erhöhte
Temperaturen während
des Herstellungsverfahrens oder in ihrer Betriebsumgebung thermische
Spannungen in die optischen Faser einbringen, die ähnlich die Quelle
von Fehlern oder eines Ausfalls der optischen Faser werden können.
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Es besteht darum eine Notwendigkeit,
einen Faseroptik-Endbereich zu schaffen, der weniger anfällig für eine Beschädigung oder
Signalverschlechterung ist, wenn er für die Verwendung in einer anspruchsvollen Betriebsumgebung
angepasst ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es ist ein Ziel der vorliegenden
Erfindung, einen Verbindungs-Vorgang für einen Faseroptik-Endbereich
zu schaffen, der thermische Belastungen reduziert und die Zuverlässigkeit
des Faseroptik-Endbereichs verbessert.
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Die Erfindung schafft ein Verfahren
zum Herstellen eines Faseroptik-Endbereichs zur Verwendung in Faseroptik-Kabelverbindern,
wobei der Faseroptik-Endbereich
eine optische Faser aufweist, die in einer Ferrule angeordnet ist
und von dieser abgestützt
wird, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Abmanteln
eines Faseroptikkabels, um die optische Faser freizulegen; Verbinden
des abgemantelten Endes des Faseroptikkabels mit einer Ferrulenanordnung,
wobei das Faseroptikkabel ein Verstärkungselement aufweist, wobei
die Ferrulenanordnung eine mit einem vorderen oder äußeren Endbereich
der Ferrulenanordnung korrespondierenden Ferrule zum Aufnehmen der
optischen Faser aufweist, wobei die Ferrulenanordnung ferner einen
hinteren oder rückwärtigen mit
einem rückwärtigen oder
inneren Endbereich der Ferrulenanordnung korrespondierenden Körper zum
Befestigen an dem Verstärkungselement
aufweist; Ablängen
der optischen Faser in enger Nachbarschaft zu einer Stirnfläche der
Ferrulenanordnung; Polieren des abgelängten Endes der optischen Faser,
um ein Endbereich-Endprofil zu erzielen; und Prüfen des polierten Endes der
optischen Faser, um festzustellen, ob das Endbereich-Endprofil mit
vorbestimmten Akzeptanzkriterien konform ist; wobei der Verbindungsvorgang
gekennzeichnet ist durch: Aufbringen eines Verbindungs-Klebstoffs
in einer ersten Zone zwischen dem hinteren Körper der Ferrulenanordnung
und dem Verstärkungselement;
Aufbringen eines Verbindungs-Klebstoffs in einer zweiten Zone zwischen
der optischen Faser 12 des Faseroptikkabels und der Ferrulenanordnung;
und in einem ersten Arbeitsschritt ein Erhöhen der Temperatur des Verbindungs-Klebstoffs
in der ersten Zone, um den Verbindungs-Klebstoff in der ersten Zone
mindestens teilweise auszuhärten; und
in einem zweiten Arbeitsschritt ein Erhöhen der Temperatur des zweiten
Verbindungs-Klebstoffs in der zweiten Zone, um den Verbindungs-Klebstoff
auszuhärten.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist
der zweite Verbindungs-Arbeitsschritt ein mehrstufiger Aushärtevorgang,
bei welchem der Verbindungs-Klebstoff
in der ersten Zone einer ersten, niedrigen Verweiltemperatur, sukzessive
höheren
Zwischenverweiltemperaturen und einer letzten, niedrigen Verweiltemperatur ausgesetzt
ist. In noch einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird der Verbindungs-Klebstoff derart ausgewählt, dass
er eine Glasübergangstemperatur
hat, die größer ist
als die Maximaltemperatur, die in der Betriebsumgebung des Faseroptik-Endbereichs
erwartet wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Ein vollständigeres Verständnis der
vorliegenden Erfindung und der begleitenden Merkmale und Vorteile
davon kann durch Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung
der Erfindung erhalten werden, wenn sie in Verbindung mit den folgenden
Zeichnungen betrachtet wird, wobei gilt:
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1 zeigt
ein Faseroptik-Simplexkabel, das einen Faseroptik-Endbereich gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet;
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2 zeigt
ein Ende eines Faseroptik-Kabels, das gemäß einem ersten Herstellschritt
bei der Fabrikation des Faseroptik-Endbereichs abgemantelt wurde.
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3 zeigt
das abgemantelte Ende des Faseroptik-Kabels bei der Vorbereitung
des Verbindens mit einer Ferrulenanordnung;
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4 zeigt
die integrierte Anordnung aus Faseroptikkabel und Ferrule nach dem
Verbindungs-Vorgang;
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5 zeigt
ein bevorzugtes Endbereich-Endprofil nach einem Polier-Arbeitsschritt,
bei welchem die Endfläche
der optischen Faser relativ zu einer Stirnfläche der Ferrulenanordnung hinterschnitten
ist.
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5a zeigt
eine vergrößerte Ansicht
von 5 zum Darstellen
der Endfläche
der optischen Faser und einer maximal akzeptablen Hinterschneidung
relativ zu einer theoretischen Ebene;
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5b zeigt
eine Endansicht des Endbereich-Endprofils von 5a;
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6 zeigt
Endbereiche gemäß der vorliegenden
Erfindung, die gegenüberliegend
zum Darstellen einer anderen Ausführungsform der Erfindung angeordnet
sind, bei der ein maximal akzeptabler Oberflächenwinkel zum Minimieren von Übertragungsverlusten
definiert ist;
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7 ist
eine vereinfachte Ansicht einer Polierschicht mit einer starren
Abstützung
oder Unterstützung zum
Herstellen des gewünschten
hinterschnittenen Endbereich-Endprofils gemäß der vorliegenden Erfindung;
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7a ist
eine vergrößerte Ansicht
von 7 zum Darstellen
der Funktion der starren Unterstützung;
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8 zeigt
ein Interferometer (Michelson-Typ), das verwendet wird, um die Topografie
des resultierenden Endbereich-Endprofils nach dem Polier-Arbeitsschritt
zu kontrollieren;
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9 zeigt
ein zweidimensionales Interferrenzmuster, das durch das Interferometer
erzeugt wurde, wobei das Interferrenzmuster die Topografie des Endbereich-Endprofils
anzeigt;
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10 ist
eine dreidimensionale Darstellung des Endbereich-Endprofils, die
durch das Interferometer erzeugt wird;
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11 zeigt
eine elektronische Maske, die auf das Endbereich-Endprofil projiziert
wird zum Interpretieren von dessen Topografie und zum Vereinfachen
der Komplexität
von Computerberechnungen, die verwendet werden, um die Topografie
mit einem vordefinierten Akzeptanzkriterien zu vergleichen.
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Beste Art zum
Ausführen
der Erfindung
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Es wird auf die Zeichnungen Bezug
genommen, bei welchen gleiche Bezugszeichen korrespondierende oder ähnliche
Elemente über
die mehreren Zeichnungen bezeichnen. 1 zeigt
eine Faseroptik-Simplexkabelanordnung 6, die ein Faseroptik-Kabel 8 und
einen Faseroptik-Endbereich 10 gemäß der vorliegenden Erfindung
aufweist, der an jedem Ende davon angeordnet ist. Derartige Endbereiche 10 werden
verwendet, um die Faseroptik-Verbindungen zwischen Paaren der Simplexkabel 6 herzustellen,
und sie werden typischerweise mittels einer herkömmlichen Anordnung von Stift
und Buchse Endean-Ende oder Vorderseite-an-Vorderseite ausgerichtet.
In dem hier verwendeten Zusammenhang bedeutet "Faseroptik-Endbereich" (fiber optics terminus)
mindestens die Kombination einer Optikfaser oder eines Optikfilaments,
welches) in einer harten/starren Struktur, die zum Schützen des
Spitzenendes der optischen Faser nützlich ist, angeordnet ist
und durch diese gestützt
wird (eine derartige Struktur wird hierin nachstehend als "Ferrule" oder "Ferrulenanordnung" bezeichnet). Wie
nachstehend detaillierter diskutiert werden wird, wird jeder Endbereich 10 mit
hoch präzisen
Spezifikationen hergestellt und zusammengesetzt, um die spektrale Übertragung über die
Faseroptik-Verbindung zu optimieren, d. h. minimaler Verlust. Bei
Luft- und Raumfahrzeuganwendungen ist der akzeptable Verlust über eine
Faseroptik-Verbindung typischerweise weniger als 1,0 dB.
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Das Herstellverfahren zum Herstellen
des erfindungsgemäßen Faseroptik-Endbereichs 10 bezieht mehrere
kritische Schritte ein, die nachstehend dargestellt und beschrieben
werden. Obwohl der Faseroptik-Endbereich 10 in dem Zusammenhang
eines "Stift"-Endbereichs beschrieben
und dargestellt wird, sollte man verstehen, dass die erfinderischen
Lehren gleichermaßen
auf einen "Buchsen"-Endbereich oder
andere Endbreichsausgestaltungen anwendbar sind. Die Schritte, die
bei der Herstellung eines epoxyartigen Faseroptik-Endbereichs einbezogen
sind, umfassen: Abmanteln des Faseroptikkabels, um die verschiedenen
internen Elemente des Kabels freizulegen, Verbinden des Kabels mit
einer Ferrulenanordnung, Ablängen
und Polieren der Endfläche
der optischen Faser, derart, dass sie im Wesentlichen koplanar mit
der Stirnfläche
der Ferrulenanordnung ist, und Prüfen der Endfläche der
Optikfaser auf Fehler. Der Verbindungs-Vorgang ist gekennzeichnet
durch Verfestigen des Verbindungs-Klebstoffs um einen inneren Endbereich
der Ferrulenanordnung und nachfolgend ein vollständiges Aushärten des Verbindungs-Klebstoffs
an dem äußeren Ende
des Endbereichs. Vorzugsweise wird der letzte Aushärtearbeitsschritt
in einem mehrstufigen Aushärtezyklus
oder einem "stufenartige
Aushärte"-Vorgang durchgeführt. Bei
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung umfasst das Polierverfahren die Verwendung von harten
und weichen Polierschichten mit einer ausgewählten Teilchengröße, beispielsweise
grob, mittel und fein, um ein bevorzugtes Endbereich-Endprofil zu
erzeugen. Das bevorzugte Endbereich-Endprofil ist in Bezug auf die
Stirnfläche
der Ferrulenanordnung definiert und ist durch die optische Faser
gekennzeichnet, die eine Endfläche
definiert, die relativ zu der Stirnfläche der Ferrulenanordnung hinterschnitten
ist. Bei noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird
ein Weißlichtinterferometer
zusammen mit einer vorprogrammierten Softwareroutine verwendet,
um die gesamte Oberfläche
des Endprofils zu charakterisieren und um zu bestimmen, ob das Endprofil
mit vorbestimmten Akzeptanzkriterien konform ist. Die Wichtigkeit
dieser Merkmale der Erfindung wird in nachfolgenden Abschnitten
beschrieben.
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Abmantelarbeitsschritt
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In 2 ist
das Faseroptikkabel 8 abgemantelt, um mehrere Hüllen eines
Kabelmaterials zu entfernen und freizulegen. Beschreibt man das
Faseroptikkabel 8 von seinem innersten Element zu seiner äußersten Hülle, so
umfasst das abgemantelte Ende des Faseroptikkabels 8 eine
zentrale optische Faser 12, einen Siliconpuffer 14,
der um die optische Faser 12 angeordnet ist, einen inneren
Mantel 16, der den Siliconpuffer 14 umhüllt, ein
Verstärkungselement 18,
das eine umsponnene oder gewebte Faser aufweist, beispielsweise
eine Polyamidfaser wie Kevlar®,
die um den inneren Mantel 16 gewickelt ist, und einen äußeren Mantel 20,
der das Verstärkungselement 18 umhüllt. Das
Faseroptikkabel 8 kann manuell unter Verwendung einer herkömmlichen mechanischen
Abmantelungseinrichtung, beispielsweise der von Clauss Inc. aus
Freemont, OH er hältlichen, oder
durch eine automatische Abmantelungsanlage, beispielsweise die von
Schleuniger Inc. aus Manchester, NH hergestellte, abgemantelt werden.
Die Maße
zum Abmanteln eines Mantels werden in Abhängigkeit des herzustellenden
Endbereichtyps und insbesondere der Maße der Ferrulenanordnung, die
mit dem abgemantelten Ende des Faseroptikkabels 8 zu verbinden
ist, variieren.
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Verbindungs-Vorgang
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In 3 ist
das abgemantelte Ende des Faseroptikkabels 8 zum Verbinden
mit einer Ferrulenanordnung 22 vorbereitet. Bei der beschriebenen
Ausführungsform
umfasst die Ferrulenanordnung 22 eine starre Ferrule 24 und
einen hinteren Körper
oder eine Hülse 26,
welcher) einen Endbereich der Ferrule 24 umgibt und mit
diesem verbunden ist. Insbesondere definiert die starre Ferrule 24 eine äußere Stirnfläche 28,
eine zentrale Bohrung 30 und ein inneres Ende 32,
und der hintere Körper 26 umfasst
eine zylindrische innere Bohrung 34 und ein verjüngtes Ende 36,
das eine zylindrische äußere Oberfläche 38 definiert.
Bei der beschriebenen Ausführungsform
ist die Ferrule 24 aus einer Keramik, beispielsweise Zircon,
hergestellt, und der hintere Körper 26 ist
aus rostfreiem Stahl hergestellt.
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Zur Vorbereitung des Verbindens wird
eine Wulst oder ein Ring aus Verbindungs-Klebstoff 40 auf
die äußere Oberfläche 38 des
hinteren Körpers 26,
die mit einer Zone A korrespondiert, aufgebracht und eine Lage von
Verbindungs-Klebstoff 42,
die mit einer Zone B korrespondiert, wird an der optischen Faser 12 und
dem inneren Mantel 14 aufgebracht. Im breitesten Sinne
der Erfindung sind die Verbindungs-Klebstoffe 40, 42 in Zonen
A und B die Gleichen. Die Klebstoffe werden derart ausgewählt, dass
die Glasübergangstemperatur (TG) größer ist
als die Maximaltemperatur, die in der Betriebsumgebung des Endbereichs 10 erwartet
wird. Bei der beschriebenen Ausführungsform
ist der Verbindungs-Klebstoff ein wärmehärtendes Epoxy mit einer TG größer als
etwa 125°C,
was die Maximaltemperatur repräsentiert,
die in Luftfahranwendungen erwartet wird. Ein geeignetes wärmehärtendes
Epoxy ist bei EPOXY TECHNO- LOGY
INC. in Billerica, MA unter dem Handelsnamen EPOTEK 353ND erhältlich.
Ferner wird das Verstärkungselement 18 vor
dem Verbinden nach hinten über
den äußeren Mantel 20 gefalzt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
wird ein Schrumpfschlauch 44 verwendet, der nachfolgend
das Verstärkungselement
bedeckt, um das Verstärkungselement 18 über dem äußeren Mantel 20 temporär vorzupositionieren.
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In 4 wird
das abgemantelte Ende des Faseroptikkabels 8 in die Ferrulenanordnung 22 eingesetzt, derart,
dass die optische Faser 12 durch die Ferrulenbohrung 30 verläuft und
der innere Mantel 14 an dem inneren Ende 32 der
Ferrule 24 anstößt. Als
Nächstes
wird der Schrumpfschlauch 44 nach hinten geschoben (durchsichtig
dargestellt), um das Verstärkungselement 18 freizugeben,
das dann über
die zylindrische äußere Oberfläche 38 des
hinteren Körpers 26 gefalzt
wird. Somit berührt
und imprägniert
der Ring aus Verbindungs-Klebstoff 40 in
Zone A das Verstärkungselement 18.
Der Schrumpfschlauch wird dann derart verschoben, dass er das Verstärkungselement 18 und
den äußeren Mantel 20 des
Faseroptikkabels 8 überzieht.
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Bei dem Positionieren des Schrumpfschlauchs 44 wird
der Bereich, der mit der Wulst aus Verbindungs-Klebstoff 40 in
Zone A korrespondiert, einer Temperatur ausgesetzt, die geeignet
ist, den Klebstoff 40 zu verfestigen. In dem hierin verwendeten
Zusammenhang bedeutet der Ausdruck Verfestigen, dass der Klebstoff
entweder vollständig
oder teilweise gehärtet
ist und mindestens etwa 20% seiner Festigkeitseigenschaften erreicht
hat. Bei der beschriebenen Ausführungsform
wird eine Wärmepistole
(nicht gezeigt) verwendet, um die Temperatur des Verbindungs-Klebstoffs 40 auf
zwischen etwa 175°C
bis etwa 250°C
für eine
Dauer von weniger als etwa 5 Minuten anzuheben. Zusätzlich zum
Verfestigen des Verbindungs-Klebstofffs 40 zieht sich der
Schrumpfschlauch 44 zusammen, um eine verbesserte Verbindung
zwischen dem Verstärkungselement 18 und
der Ferrulenanordnung 22 zu bewirken und ferner den äußeren Mantel 20 des
Faseroptikkabels 8 zu halten. Außerdem stellt der Schrumpfschlauch 44 eine
gewisse Zugentlastung zwischen der Ferrulenanordnung 22 und
dem Faseroptikkabel 8 bereit. Ein geeigneter Schrumpfschlauch 44 kann
aus einem chlorierten Polyolefin-Material gemacht sein und ist von
Raychem Corporation aus Fremont, CA, unter dem Handelsnamen Thermofit
NTFR Sumitube R10 erhältlich.
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Die teilweise verbundene Anordnung
wird dann in einen Ofen gesetzt, um den Verbindungs-Klebstoff 42 in
Zone B zwischen der Ferrule 24 und der optischen Faser 12 und,
falls notwendig, den Verbindungs-Klebstoff 40 zwischen
dem Verstärkungselement 18 und
dem hinteren Körper 26 vollständig auszuhärten oder
zu verbinden. Vorzugsweise wird die Anordnung einem mehrstufigen
Aushärtezyklus
oder einem "stufenartigen Aushärten" ausgesetzt, um den
Verbindungs-Klebstoff in Zone A und/oder B vollständig auszuhärten oder
zu verbinden. Der Verbindungs-Klebstoff 42 ist: einer ersten
Verweiltemperatur für
eine verlängerte
Dauer ausgesetzt, um dem Verbindungs-Klebstoff zu erlauben, sich
zu setzen oder zu stabilisieren, nachfolgend mehreren sukzessive
höheren
Zwischen-Verweiltemperaturen ausgesetzt, und als Letztes wird ihm
erlaubt, auf eine letzte niedrige Verweiltemperatur abzukühlen. Bei
der bevorzugten Ausführungsform
befinden sich die erste und letzte Verweiltemperatur etwa bei der
Raumtemperatur oder zwischen etwa 22°C bis etwa 28°C. Ferner
bedeutet das "Setzen" oder "Stabilisieren" des Klebstoffs in
dem hier verwendeten Zusammenhang, dass der Klebstoff mehr als etwa
50% seiner Endfestigkeit erreicht hat.
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Obwohl die Zeit-/Temperaturzyklen
in Abhängigkeit
von den physikalischen Eigenschaften des ausgewählten Verbindungs-Klebstoffs
variieren können,
weist der bevorzugte stufenartige Aushärtevorgang fünf Stufen
auf, wie sie in der nachstehenden Tabelle 1 zusammengefasst sind.
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Der oben beschriebene Verbindungsvorgang
bietet mehrere Vorteile, die hier vorstehend noch nicht angesprochen/erkannt
wurden. Zuerst wird durch Verfestigen des Verbindungs-Klebstoffs 40 um
das hintere Ende der Ferrulenanordnung 22 die Anordnung
für eine
nachfolgende Handhabung stabilisiert, d. h. bevor sie in einen Aushärteofen
gelegt wird. Zweitens stellt der verfestigte Klebstoff 40 in
Zone A einen Dammeffekt bereit, der eine "Dochtwirkung" des Klebstoffs 42 in Zone
B in das Verstärkungselement 18 verhindert.
Das heißt, die
Erfinder entdeckten bei vorhergehenden erfolglosen Verbindungsversuchen,
dass durch Verflüssigen
des Klebstoffs in dem Endbereich, d. h. wenn erhöhte Temperaturen bewirkten,
dass der Klebstoff "fließt", die geflochtenen
Fasern des Verstärkungselement 18 tendenziell
dochtartig Klebstoff von dem Inneren der Ferrulenanordnung 22 aufnehmen.
Entsprechend leert die Dochtwirkung den Verbindungs-Klebstoff von
den kritischsten Bereichen des Verbindungs-Vorgangs, d. h. zwischen
der Ferrule 24 und der optischen Faser 12.
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Schließlich reduziert der stufenartige
Vorgang die restlichen Spannungen in der optischen Faser 12 und
maximiert die Festigkeit des Verbindungs-Klebstoffs. Unter Bezug
auf Ersteres entdeckten die Erfinder, dass wenn ein herkömmlicher
Aushärtezyklus
angewendet wird, d. h. Erhöhen
der Temperatur des Klebstoffs auf eine Temperatur über eine
verlängerte
Zeitdauer, sich der Verbindungs-Klebstoff
verbindet, wenn der Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen
der optischen Faser und der Ferrule am höchsten ist. Somit werden, wenn
die Faser und die Ferrule abkühlen,
die restlichen Zugspannungen in die optische Faser verlegt, welche
die Ausbreitung eines Bruchs in der optischen Faser beschleunigen
können.
Im Gegensatz dazu erlaubt der stufenartige Aushärtevorgang dem Verbindungs-Klebstoff 42 in
Zone B, bei einer niedrigen Temperatur über eine verlängerte Dauer
zu verweilen, d. h. zwischen einer und zwei Stunden, um sich teilweise
zu setzen, bevor er noch höheren
Temperaturen ausgesetzt wird. Somit ist die optische Faser 12 im
Wesentlichen unbelastet, wenn sie abgekühlt ist, obwohl die Unterschiede
der thermischen Ausdehnung eine vorübergehende Druckbeanspruchung
in der optischen Faser 12 während des Herstellverfahrens
einbringen können.
Mit Bezug auf Letzteres entdeckten die Erfinder, dass, wenn ein
herkömmlicher
Härtezyklus
angewendet wird, d. h. Erhöhen
der Temperatur des Klebstoffs auf eine Temperatur für eine verlängerte Zeitdauer,
die Glasübergangstemperatur
des Klebstoffs nicht die angenommene Maximaltemperatur ihrer beabsichtigten
Betriebsumgebung erreichen oder überschreiten
kann. Obwohl dies bei vielen Anwendungen ein selten entdeckter,
tolerierbarer, vorübergehender
Zustand sein kann, können
derartige resultierende physikalische Eigenschaften des Klebstoffs
eine "kolbenartige
Bewegung" der optischen
Faser 12 relativ zu der Ferrule 24 verursachen.
Somit kann sich die kolbenartige Bewegung der optischen Faser 12 über die
Ferrule 24 erstrecken, was, wie hier nachstehend diskutiert
wird, für
einen Faseroptik-Endbereich in einer anspruchsvollen Betriebsumgebung
inakzeptabel ist.
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Abläng- und
Polier-Arbeitsschritt
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Sobald das Faseroptikkabel 8 und
die Ferrulenanordnung 22 vollständig ausgehärtet wurden, wird das Ende
der optischen Faser 12 in enger Nachbarschaft mit der äußeren Stirnfläche 28 der
Ferrule 24 abgelängt. Insbesondere
wird die optische Faser 12 eingekerbt/geritzt, um einen
Spannungs-Konzentrationspunkt zu erzeugen, und wird unter Spannung
gezogen, um die optische Faser 12 abzulängen. Der Abläng-Arbeitsschritt sollte
die optische Faser 12 so nahe wie machbar an der äußeren Stirnfläche 28 brechen
und vorzugsweise inner halb etwa 0,0254 cm davon. Alternativ kann
der Abläng-Arbeitsschritt
in Abhängigkeit
der Genauigkeit des zuvor beschriebenen Abmantelungs-Arbeitsschritts
in Frage gestellt werden. Das heißt zum Beispiel, wenn eine
hoch genaue automatisierte Ablängeinrichtung
verwendet wird, der Silikonpuffer 14 (siehe 2) und der innere Mantel 16 entfernt
werden können,
um die präzise
benötigte
Länge der
optischen Faser herbeizuführen,
d. h. die Länge,
die für
die optische Faser 12 benötigt wird, um einen kleinen
Betrag über
die äußere Stirnfläche 28 der
Ferrule 24 hervorzustehen.
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Der Polier-Arbeitsschritt umfasst
die Verwendung verschiedener Schleifmaterialien (hierin nachstehend
als Polierschichten bezeichnet), um ein bevorzugtes Endbereich-Endprofil
zu erstellen. Bevor der Polier-Arbeitsschritt im Detail diskutiert
wird, ist es nützlich,
die Geometrie des resultierenden Endprofils und dessen Vorteile
zu definieren. Spezifischer und unter Bezugnahme auf 5, 5a und 5b ist
das bevorzugte Endprofil 50 durch die optische Faser 12 charakterisiert,
die eine Endfläche 52 definiert,
die relativ zu der Stirnfläche 28 der
Ferrule 24 nach hinten versetzt oder unterschnitten ist
(am besten in 5a gezeigt).
Wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck "Endfläche" der optischen Faser mindestens die
Kombination aus dem Licht übertragenden
Kerns 12CO und seinem umgebenden Mantel
12CL.
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Die äußere Stirnfläche 28 definiert
eine erste theoretische Ebene PFS in einem
dreidimensionalen Raum, den eine Ebene PFS an
mindestens drei Scheitelpunkten auf der Stirnfläche 28 schneidet.
Unter Bezugnahme auf 5a und 5b kann ein Scheitelpunkt 54 (nicht
in 5a gezeigt) aus jedem
der drei 120°-Sektoren
28S der Stirnfläche 28 ausgewählt werden.
Bezogen auf die Ebene PFS liegen alle Punkte
der Endfläche 52 der
optischen Faser 12 unterhalb der Fläche PFS,
oder anders ausgedrückt,
kein Punkt auf der Endfläche 52 schneidet
die Ebene PFS. Bei der bevorzugten Ausführungsform
wird eine zweite theoretische Ebene PBF durch
eine Ausgleichskurve, beispielsweise kleinste Fehlerquadrate, der
Datenpunkte, die der Stirnfläche 28 zugeordnet
sind, definiert. Bei dieser Ausführungsform
ist es wünschenswert,
dass der höchste
Punkt oder Scheitelpunkt 56 der Endfläche 52 unterhalb der
zweiten planaren Begrenzung PBF liegt. Außerdem ist
es bei dieser Ausführungsform
wün schenswert,
sicherzustellen, dass der niedrigste Punkt 60 oder Fußpunkt der Endfläche 52 eine
Distanz X definiert, die in einem Bereich von etwa 0,01 μm bis etwa
10,0 μm
von der Ebene PBF und noch bevorzugter innerhalb
eines Bereichs von etwa 0,05 μm
bis etwa 1,0 μm
davon liegt. In der am meisten bevorzugten Ausführungsform liegt der Scheitelpunkt 56 der
Endfläche 52 unter
dem niedrigsten Punkt oder dem Fußpunkt (nicht dargestellt)
der Stirnfläche 28 oder
ist mathematisch niedriger als dieser. Somit wird im Betrieb, d.
h. wenn ein Paar von entgegengesetzten Endbereichen zusammengesetzt
werden, die optische Faser eines Endbereichs 10 keine Oberfläche, beispielsweise
die optische Faser oder Ferrule eines entgegengesetzten Endbereichs,
berühren
oder auf dieser aufsitzen.
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Die Erfinder entdeckten, dass eine
derartige nicht-berührende
Beziehung kritisch ist, wenn Faseroptik-Endbereiche zur Verwendung
in einer anspruchsvollen Betriebsumgebung angepasst sind. Früher wurden Faseroptik-Endbereiche
derart hergestellt, dass sie ein hervorstehendes abgerundetes oder
alternativ planares Endprofil hervorbringen, bei welchem ein physikalischer
Kontakt zwischen den optischen Fasern wünschenswert ist. Beispielsweise
ist in der Telekommunikationsindustrie das Endprofil durch ein abgerundetes Ende
gekennzeichnet, das leicht in Bezug auf die Stirnfläche der
Ferrule hervorsteht. Im zusammengesetzten Zustand, sind die optischen
Fasern in physikalischem Kontakt, was die Wirksamkeit der Lichtübertragung
sicherstellt. Während
eine derartige Beziehung die Qualität der spektralen Übertragung
verbessert, kann ein physikalischer Kontakt Brüche und Fehler fördern, besonders
wenn sie einer anspruchsvollen Umgebung ausgesetzt sind. Wie in
dem Kapitel "Hintergrund
der Erfindung" erwähnt wurde,
können
sogar kleine Fehler die Lichtübertragung
verschlechtern oder gänzlich
unterbinden.
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Bei Anwendungen, bei welchen der Übertragungsverlust
bei jeder Faseroptik-Verbindung
hoch kritisch ist, entdeckten die Erfinder, dass der Oberflächenwinkel
der Ferrule auch ein wichtiger Faktor ist. In 6 sollte die Stirnfläche 28 der Ferrule 24 einen
niedrigen Winkel relativ zu einer Ebene PN definieren,
die rechtwinklig zu der Längsachse 12A der optischen Faser 12 ist.
In Übereinstimmung
mit dieser Ausführungsform
der Erfindung definiert die Stirnfläche 28 ei ne theoretische
Ebene PBF2, die durch eine Anpassungskurve,
beispielsweise kleinste Fehlerquadrate, aus den Profildatenpunkten
erzeugt wird. Vorzugsweise definiert die Ebene PBF2 einen
Oberflächenwinkel φ relativ
zu der Ebene PN, wo der Oberflächenwinkel φ eine Funktion
einer gewünschten
Maximaltrennungsdistanz zwischen zwei aneinander stoßenden Endbereichen 10 und
dem Radius der Ferrule 24 ist. Der folgende Ausdruck kann
verwendet werden, um den Oberflächenwinkel φ zu berechnen.
φ= Tan-1φ(M/2r)
bei
welcher M die Maximaltrennungsdistanz zwischen zwei entgegengesetzten
Endbereichen 10 ist und bei welcher r der Radius der Ferrule 24 ist.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Maximaltrennungsdistanz M typischerweise weniger
als etwa 30 μm
und noch bevorzugter weniger als etwa 10 μm und am besten 0 μm, um die
Verlustwerte zu erreichen, die typischerweise von der Luftfahrtindustrie
vorausgesetzt werden. Wenn beispielsweise der obige Ausdruck oder
die obigen Kriterien angewendet werden, wird eine Ferrule mit einem
Radius von etwa 0,0794 cm vorzugsweise einen Oberflächenwinkel
von weniger als etwa 2,0° definieren
und noch bevorzugter weniger als etwa 0,5° und am besten 0°. Demgemäß werden
durch Einhalten eines Schwellenwert-Oberflächenwinkels φ der Spalt
und das Ausmaß der
Lichtbrechung zwischen den zusammengesetzten Endbereichen 10 minimiert,
um Lichtverluste darüber
zu entschärfen.
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Es wird zu unserer Diskussion des
Herstellungsverfahrens zurückgekehrt.
Der Polier-Arbeitsschritt umfasst die Verwendung von harten und
weichen Polierschichten mit einer ausgewählten Partikelgröße, z. B. grob,
mittel und fein, um das bevorzugte, oben diskutierte Endbereich-Endprofil
zu erzeugen. Das Verfahren bezieht einen ersten Schritt des Polierens
der Ferrule und der optischen Faser unter Verwendung einer groben Polierschicht,
die ein relativ weiches Po Liermaterial aufweist, ein. In dem hierin
benutzten Zusammenhang bedeutet "grob", dass die Partikelgröße oder
Korngröße der Polierschicht
größer als
etwa 5 μm
ist, und der Ausdruck "weiches" Poliermaterial bedeutet,
dass das Partikelmaterial eine Härte
von etwa 8 bis etwa 35 auf einer Knoop-Härteskala hat. Ein zweiter Schritt
umfasst ein Polieren der Ferrule und der optischen Faser unter Verwendung
einer "feinen" Polierschicht mit
einem relativ harten Poliermaterial. In dem hierin verwendeten Zusammenhang
bedeutet "fein", dass die Partikelgröße oder
Korngröße größer ist
als etwa 0,1 μm,
und der Ausdruck "hartes" Poliermaterial bedeutet,
dass das Partikelmaterial eine Härte
von etwa 45 bis etwa 105 auf einer Knoop-Härteskala hat. Ein letzter Schritt
in dem Polierverfahren bezieht ein Polieren der Ferrule und der
optischen Faser unter Verwendung einer "ultrafeinen" Polierschicht mit einem relativ weichen
Poliermaterial ein. In dem hierin verwendeten Zusammenhang bedeutet "ultrafein", dass die Partikelgröße oder
Korngröße der Polierschicht
größer ist
als etwa 0,001 μm.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
hat die grobe Polierschicht eine Korngröße größer als etwa 10 μm, die feine
Polierschicht hat eine Korngröße größer als
etwa 0,3 μm,
und die ultrafeine Polierschicht hat eine Korngröße größer als etwas 0,05 μm. Ferner
ist bei der bevorzugten Ausführungsform
das weiche Poliermaterial ein Aluminiumoxid mit einer Knoop-Härte zwischen
etwa 13 bis etwa 21, und das harte Poliermaterial ist Diamant mit
einer Knoop-Härte
zwischen etwa 56 bis etwa 102.
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Diese Polierschritte erzeugen das
bevorzugte hinterschnittene Endbereich-Endprofil. Zusätzlich zu der Verwendung von
ausgewählten
Polierschichten entdeckten die Erfinder, dass das hinterschnittene
Endprofil am besten durch starres Unterstützen der Polierschichten erreicht
wird. Vordem wurden die Polierschichten zum Herstellen von Faseroptik-Endbereichen
des Stands der Technik durch eine nachgiebige Unterstruktur oder
Unterstützung
abgestützt,
um die gewünschte
vorstehende/abgerundete Endgestalt zu erzeugen. In 7 und 7a wird
das Endbereich-Endprofil der vorliegenden Erfindung durch Bereitstellen
einer starren Unterstützung 60 hergestellt,
um jede der verschiedenen Polierschichten 62 zu unterstützen. Somit
formen sich die Polierschichten 62 unter dem angelegten
Druck in die weichere optische Faser 12, um die gewünschte hinterschnittene
Gestalt zu erzeugen.
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Obwohl der oben beschriebene Polier-Arbeitsschritt
mindestens drei Schritte aufweist, erkennt man, dass zusätzliche
Zwischen-Polierschritte erwünscht
sein können,
um die Wirksamkeit des Endprofils zu verbessern. Ferner kann der
Polier-Arbeitsschritt manuell, durch eine Maschine oder eine Kombination
davon durchgeführt
werden. Unten stehende Tabelle II schlüsselt einen beispielhaften
Polier-Arbeitsschritt gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung auf.
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Prüf- und Akzeptanz-Arbeitsschritt
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Nach Abschluss des Polier-Arbeitsschritts
wird das Endbereich-Endprofil geprüft, um Fehler offen zu legen
und zu verifizieren, dass die zuvor beschriebene Hinterschneidung
und/oder der zuvor beschriebene Oberflächenwinkel erreicht ist. Derartige
Prüfungen
werden durch eine Kombination aus visueller Prüfung mit einem Mikroskop und
durch eine Einfallslicht-Interferenzvorrichtung (Interferometer)
durchgeführt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
wird ein Hochleistungsmikroskop, beispielsweise mit 500-facher Vergrößerung, angewendet,
um nach Fehlern zu suchen, beispielsweise Brüche, welche die Übertragung
von Licht behindern können.
Generell ist jeder sichtbare Bruch in dem Licht übertragenden Kern 12CO (siehe 5a)
der optischen Faser 12 inakzeptabel und führt zu einem
Aussondern des Endbereichs 10.
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Es wird auf 8 und 9 Bezug
genommen. Sobald bestimmt wurde, dass die optische Faser 12 frei von
Fehlern ist, wird ein Rot- oder Weißlichtinterferometer 70 verwendet,
um die Hinterschneidung und/oder den Oberflächenwinkel des Endbereich-Endprofils
zu verifizieren. Ein Interferometer wird typischerweise verwendet,
um ein Interferenzmuster 72 (siehe 9) zu erstellen, das für die Geometrie
des Endbereich-Endprofils repräsentativ
ist. Ein Rotlichtlnterferometer verwendet eine einzelne Lichtwellenlänge, um
eine einzelne Serie von Interferenzrändern zu bilden. Obwohl ein
Rotlichtinterferometer verwendet werden kann, bezieht sich ein Nachteil
davon auf seine Unfähigkeit,
stufenartige Veränderungen
in der Höhe
zu erkennen, wie jene, die an der Grenze zwischen den Rändern der
Ferrule 24 und der optischen Faser 12 gefunden
werden können. Folglich
muss eine zusätzliche
Analyse durchgeführt
werden, um zu bestimmen, dass das Interferrenzmuster 72 eine
Ausnehmung, verglichen mit einem Vorstehen der Endfläche 52,
anzeigt. Andererseits erhält
ein Weißlichtinterferometer
viel mehr Informationen über
eine Oberflächenstruktur
und kann stufenartige Änderungen in
der Höhe
erkennen, insofern als es mehrere diskrete Interferenzbänder in
dem Weißlichtspektrum
prüft. 10 stellt die Ausgabe eines
Interferometers dar, die mathematisch manipuliert werden kann, um
ein dreidimensionales Abbild des Endbereich-Endprofils 50 zu
erzeugen.
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Um diesen Arbeitsschritt durchzuführen und
unter Bezugnahme auf 8 und 11 hält ein kalibrierter V-Block
(nicht gezeigt) den Endbereich 10 in einer festen Beziehung
zu dem Weißlichtinterferometer,
das schematisch über
dem Endbereich 10 in 8 gezeigt
ist. Eine Lichtquelle 75 projiziert weißes Licht auf das Endbereich-Endprofil 50 über einen
Strahlteiler 76 (beispielsweise einen teildurchlässigen Spiegel).
Das Licht wird auf einen Empfänger
(gezeigt als eine integrale Einheit mit der Lichtquelle 75)
reflektiert und mittels einer Computerverarbeitungseinheit 78 interpretiert.
Eine Computersoftwareroutine läuft
integral auf der Computerverarbeitungseinheit 78, um Bereiche
zu beschreiben, die mit der Endfläche 52 der optischen
Faser 12 und der Stirnfläche 28 der Ferrulenanordnung 24 korrespondieren.
Insbesondere werden elektronische Gesichtsfelder 80 (siehe 11) erzeugt, um Zonen des
Endbereich-Endprofils 50 zu untersuchen, um topografische
Daten zu erhalten. Beispielsweise wird ein rundes Gesichtsfeld 82,
das mit der Endfläche 52 der
optischen Faser 12 korrespondiert, zum Zweck des Erlangens
von Topografiedaten in diesem Bereich erzeugt. Alternativ wird ein ringförmiges Gesichtsfeld 84 erzeugt,
um die Stirnfläche 28 ohne
das Zentrum und die Randbereichen des Endbereich-Endprofils 50 zu
untersuchen. Die Computeralgorithmen zum Erzeugen elektronischer
Masken des beschriebenen Typs, d. h. zum Unterscheiden der Oberflächencharakteristika
einer Zone relativ zu einer anderen, sind in der Technik wohl bekannt
und werden hierin nicht detailliert beschrieben werden. Es genügt, zu sagen,
dass diese elektronischen Gesichtsfelder 80 erzeugt werden,
um die am meisten relevante Topografieinformation in einer spezifischen
Zone zu sammeln.
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Sobald die relevante Information
erhalten wurde, führt
das Interferometer normale Berechnungen durch, um die Hinterschneidung
und/oder den Oberflächenwinkel
des Endprofils zu bestimmen. Genauer gesagt kann das Interferometer
zuerst bestimmen, ob ein Punkt auf der Endfläche eine theoretische Ebene schneidet,
d. h. die Ebene PFS oder die Ebene PBF (5a und 6), die in den vorangegangenen
Abschnitten diskutiert wurden. Ferner kann es eine mathematische
Bestimmung durchführen,
dass der höchste
Punkt auf der Endfläche
unterhalb des niedrigsten Punktes auf der Stirnfläche ist.
Außerdem
wird eine Messung der maximalen Hinterschneidungstiefe X (5a) bestimmt. Noch weitere
Berechnungen können
eine Bestimmung des Oberflächenwinkels φ (6) des Endprofils umfassen.
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Obwohl die Erfindung mit Bezug auf
exemplarische Ausführungsformen
davon gezeigt und beschrieben wurde, sollte von Fachleuten verstanden
werden, dass weitere Änderungen,
Weglassungen und Zusätze darin
und dazu gemacht werden können,
ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Beansprucht ist:
