DK144927B - Kobleled til optiske fibre - Google Patents

Description

(19) DANMARK (^)

© (12) FREMLÆGGELSESSKRIFT od 144927 B

DIREKTORATET FOR PATENT- OG VAREMÆRKEVÆSENET

(21) Ansøgning nr. 2798/78 (51) |nt.ci.3 G 02 B 7/26 (22) Indleveringsdag 21. jun. 1978 (24) Løbedag 21. jun. 1978 (41) Aim. tilgængelig 2j5· dec. 1978 (44) Fremlagt 5 · jul. 1982 (86) International ansøgning nr.

(86) International indleveringsdag (85) Videreførelsesdag “ (62) Stamansøgning nr. -

(30) Prioritet 22. jun. 1977, 7719084, FR

(71) Ansøger CCMPAGNIE GENERALE L* ELECTRICITE S.A., 75382 Paris Cedex 08, ER.

(72) Opfinder Andre Tardy, FR.

(74) Fuldmægtig Internationalt Patent-Bureau.

(54) Kobleled til optiske fibre.

Opfindelsen angår et kobleled til optiske fibre og af den art, der består af to sammenkoblelige kobledele, der hver omfatter dels et sæt holdeorganer indrettede til at fastholde et stykke optisk fiber af given diameter og til at styres således, at fiberstykket i den ene kobledel placeres ende mod ende med fiberstykket i den anden kobledel, når begge kobledele kobles sammen, dels et spændeor-j gan med spændemidler til fastholdelse af en optisk transmissionsfi- ber i flugt med det i kobledelen fastholdte fiberstykke, j En optisk fiber har en glaskore med en diameter på f.eks.lOOy, - omgivet af en optisk kappe af samme materiale med lavere optisk in- . deks, hvilken kappe igen er omgivet af en udvendig kappe af f.eks.

plastmateriale til mekanisk beskyttelse.

* i 144927 2

Et kobleled af den indledningsvis nævnte art har sædvanligvis holdeorganer til præcis håndtering af den for den udvendige kappe blottede ende af fibren. Andre midler tjener til at styre holdeorganerne på en sådan måde, at den fiberende, der fastholdes, placeres nøjagtigt i den ønskede position for sammenkobling med eksempelvis en anden optisk fiber, der fastholdes i en modsvarende del af kobleleddet.

Den opnåede præcision med hensyn til positionering af fibren er så meget desto bedre, som fiberdiameteren ligger nærmere den diameter, for hvilken holdeorganerne er udformede. Disse holdeorganer kan f.eks. bestå af tre med hinanden sammenpressede stålstave af samme diameter, således at deres akser falder sammen med toppunkterne på en ligesidet trekant i et plan vinkelret på disse akser. Disse tre stave danner tilsammen en holdekanal, der kan rumme en optisk fiber af given diameter, herefter kaldt ønskediameteren. Hvis fibren har en diameter, der er større end ønskediameteren, kan den ikke indføres i holdekanalen. Hvis fibren har en diameter, der er mindre end ønskediameteren, vil den kunne forskyde sig i tværretningen i kanalen, og man kan praktisk taget ikke opnå en god optisk kobling. Hvis man anvender andre typer holdeorganer, vil den optiske kobling være så meget desto bedre, som fiberdiameteren ligger nærmere ønskediameteren.

Ved den industrielle produktion af optiske fibre konstaterer man imidlertid variationer på op til 4% til begge sider af ønskediameteren. Man håber på i den kommende tid at kunne reducere disse variationer til 2%, men ikke at undgå dem totalt. Der er derfor behov for at forbedre de optiske kobleled med henblik på opnåelse af en god optisk kobling, trods usikkerhed med hensyn til fibrenes eksakte diameter.

Opfindelsen tager sigte på et kobleled, som gør det muligt at opnå en god optisk kobling trods usikkerheden med hensyn til den reelle fiberdiameter.

Med henblik herpå er et kobleled ifølge opfindelsen ejendommeligt ved, at hver kobledel har et mellemled, der tjener til at forbinde kobledelen med det tilhørende spændeorgan og er udformet med en åbning, som giver adgang til en zone for kontakt mellem den bageste ende af det i den pågældende kobledel fastholdte fiberstykke og enden af den tilhørende transmissionsfiber, hvilken åbning er tilstrækkelig stor til, at der gennem den kan foretages en sammensvejsning af fiberstykket og transmissionsfibren til etablering af optisk kontinuitet mellem fiberstykket og transmissionsfibren.

U4927

Opfindelsen beror på følgende konstatering: Det er i og for sig allerede kendt at tilvejebringe en optisk forbindelse med to fibre ved sammensvejsning af fiberenderne, men den således opnåede forbindelse kan ikke afbrydes, og tabene af lysenergi andrager sædvanligvis ca. 6%.

Ved en forbindelse mellem to optiske fibre ved hjælp af to komplementære kobledele er der tre årsager til tab af lysenergi, der adderes med hinanden, nemlig svejsning i den ene kobledel, luftspal-te mellem de mod hinanden vendende ender af de to fiberstykker, der fastholdes i de to kobledele og endnu en svejsning i den anden kobledel.

Det fiberstykke, der fastholdes i kobledelen, har en relativt lille længde som f.eks. på 5 cm. Dette fiberstykke kan derfor fremstilles med hele den Ønskede præcision i diameter, uden at man af den grund får væsentligt større omkostninger. Dette korte fiberstykke kan indsættes i kobledelen allerede på det sted, hvor kobleleddet fremstilles. Dets forreste ende, som skal være i kontakt med den uundgåelige luftspalte mellem de fibre, der skal kobles sammen, kan derfor nemt påføres et antirefleksovertræk, der nedsætter refleksionstabene ved luft-glas-overgangen. Det vil praktisk taget være umuligt at tilvejebringe et sådant overtræk på enden af en meget lang transmissionsfiber på det sted, hvor man skærer fibren over for at opstille et transmissionssystem.

Som nævnt er det kendt, at en svejsning mellem to fibre forårsager tab af lysenergi, dog ikke for samtlige bølgetyper, men kun for nogle af dem, der svarer til relativt store vinkler mellem lysstrålerne og skillefladen mellem fiberkoren og den indre kappe, der har en lavere indeks. Under lysets viderevandring gennem fibren efter svejsestedet genvinder disse bølgetyper progressivt deres energi på bekostning af de andre bølgetyper, takket være den kobling, der eksisterer mellem alle de bølgetyper, som findes i en fiber.

Denne kobling er så meget desto kraftigere, som fiberkvaliteten er lavere. Hvis der på en fiber findes to svejsninger i meget kort afstand fra hinanden, vil de bølgetyper, der har tabt energi ved passage gennem den første svejsning, ikke i nævneværdig grad genvinde energi, inden de passerer den anden svejsning. Der vil derfor kun være et mindre yderligere tab af energi ved passage gennem den anden svejsning. Hvis man derimod har to svejsninger i stor afstand fra 144927 4 hinanden, vil ligevægten mellem bølgetyperne være genoprettet, inden lyset når frem til den anden svejsning, og denne anden svejsning vil bevirke et tab af energi af samme omfang som den første svejsning.

For en fiber af almindelig kvalitet vil én enkelt svejsning bevirke et energitab på 6%. To svejsninger i en afstand på 10 cm fra hinanden giver et tab på ialt ca. 8%, og hvis de befinder sig 40 cm fra hinanden, vil det totale tab nå op på næsten 12%. Betydningen af dette forhold træder frem, når man ved, at man nemt kan bibringe det nævnte fiberstykke en længde på mindre end 5 cm, og at afstanden mellem to svejsninger til en forbindelse mellem to transmissionsfibre i henhold til opfindelsen er lig med summen af længderne af de to fiberstykker, der fastholdes i de to komplementære kobledele.

I så fald andrager tabene ved sammenkobling af kobledelene i kobleleddet ifølge opfindelsen 8% for de to svejsninger og 1% for de to luft-glas-overgange ved den forreste, med antirefleksovertræk forsynede ende af de to fiberstykker.

En sammenkobling tilvejebragt på anden måde end i henhold til opfindelsen ville under de samme forhold give et tab på ca. 8% for de to luft-glas-overgange uden overtræk og et tab på 1-15% på grund af den næsten uundgåelige, dårlige placering af fibrene ud for hinanden og forskellene i diameter. Tabene vil derfor kunne variere tilfældigt fra 9% til næsten 23%.

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til den skematiske tegning, hvor fig. 1 viser, delvis i aksialt snit, den mellemste del af et kobleled ifølge opfindelsen, fig. 2, 3 og 4 tværsnit gennem det i fig. 1 viste kobleled i snirplanerne henholdsvis II-II, III-III og IV-IV, fig. 5, delvis i snit, kobleleddets spændeorgan, fig. 6 det samme kobleled i aksialt snit, fig. 7 et perspektivisk billede af et apparat til udøvelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen, fig. 8 en detelje af det i fig. 7 viste apparat, og fig. 9 og 10, i samme opstilling som i fig. 1 og 2, en afbildning af et komplementært kobleled.

I de enkelte figurer er der anvendt de samme henvisningsbetegnelser for de samme bestanddele.

Det kobleled af hun-typen, som skal beskrives nærmere i det følgende, omfatter elementer, der er placerede koaksialt med en fælles akse 4. Det er langs denne akse, man successivt finder de fibre og 5 144927 de fiberstykker, der skal forbindes med hinanden til dannelse af en optisk forbindelse til transmission af et signal. Fibren har en alt for lille diameter,på f.eks. lOO^u, til at den kan afbildes i reel målestok på tegningen. Kobleleddets enkelte bestanddele kan f.eks. bestå af messing, med undtagelse af enkelte dele, som kan bestå af et andet materiale. Dette vil blive specificeret, når det er nødvendigt.

Det i fig. 1 viste kobleled omfatter en kobledel 2, der i hovedsagen har form som et tykvægget, cylindrisk rør. I det indre af røret er der fastgjort og f.eks. fastklæbet et arrangement, der indbefatter et spænderør 6, som består af tyndt fjederstål, og som ved elastisk deformation fastspænder tre styrestave 8, som har en diameter på f.eks. 1,5 mm, idet der mellem disse tre stave er fastspændt tre holdestave 10 af en diameter på f.eks. 0,82 mm. Disse tre holdestave danner indbyrdes en aksial holdekanal, hvori et stykke optisk fiber 12 fastholdes.

Alle disse stave er placerede parallelt med aksen 4. De består af hårdt stål og er præcisionsfremstillede for at opnå en eksakt cylindrisk form og en veldefineret diameter. Styrestavene 8 rager ud langs aksen 4 ved den forreste ende af kobleleddet, dvs. den venstre del af fig. 1 og fig. 6. Hver holdestav har sin sideflade i kontakt med de to andre holdestave. Hver styrestav, med undtagelse af den udragende del, er i kontakt med to holdestave. Den forreste ende af det fastholdte fiberstykke befinder sig i det plan, der står vinkelret på aksen og indeholder den forreste ende af de tre holdestave.

Inden den føres ind mellem holdestavene 10, påføres enden af fiberstykket et antirefleksovertræk bestående af to lag, nemlig et lag titanoxid TiC>2 og et lag magnesiumfluorid MgF2*

De udragende dele af de tre styrestave danner indbyrdes en styrekanal, hvori man kan indføre et sæt på tre holdestave 10', der hører til et komplementært kobleled af han-typen, jf. fig. 9 og 10.

Et sådant kobleled er udformet på samme måde som det ovenfor beskrevne kobleled, bortset fra at det ikke har styrestave, idet spænderøret 6', der svarer til røret 6, i så fald har en mindre diameter, således at det direkte fastspænder holdestavene, medens kobledelen 21, der svarer til kobledelen 2, i så fald har en tilsvarende formindsket inderdiameter.

En sådan opstilling giver mulighed for en meget præcis placering af fiberstykkerne i de to holdekanaler mellem de to sæt på hver tre holdestave ud for hinanden. Med henblik herpå er det dog nødvendigt, at holdestavene har en diameter lig med fiberdiameteren ganget med 6 144927 en faktor 6,46, for at disse stave kan have kontakt med fibren. Dette krav kan opfyldes, såfremt man under fremstillingen af holdestavene kender fiberdiameteren. Dette kan nemt opnås, når det fiberstykke, der fastholdes mellem holdestavene, har en kort længde på f.eks. 2,5 cm, men vil praktisk taget umuligt kunne opnås med en fiber af stor længde.

I sin forreste ende har kobledelen 2 en udvendig krave i anlæg mod enden af en sammentrykket skruefjeder 13 (fig. 1), hvis modsatte ende har anlæg mod en indre afsats i et hylster 14,der omgiver kobledelen 2 med et givet spillerum i radial retning, og som ved hjælp af fjederen presses bagud mod et stop 16, der er fastgjort til koble-delen 2. Herved kan hylsteret forskydes elastisk i forhold til kobledelen 2 nogle få millimeter i retning fremad, radialt og i dreje-retningen.

Formålet med dette forklares nærmere herefter. Den udkoblelige forbindelse mellem han-kobleleddet (fig. 9) og hun-kobleleddet (fig.l) opnås ved at føre hylsteret 14 på det ene kobleled på kobledelen 2' i det andet kobleled og ved låsning ved hjælp af en ring 18 af elastomermateriale, hvilken ring er placeret i kobledelen 2' og samvirker med en indre not 20 i hylsteret 14. Holdestavene 10' i han-kobleleddet føres ind i den styrekanal, der udgøres af styrestavene 8 og bringes i anlæg mod den forreste ende af holdestavene 10 og holdes presset mod disse ved hjælp af kobledelen 2', hylsteret 14, den sammentrykkede fjeder 12 og kobledelen 2.

Herved opnår man kontakt mellem endefladerne på de to fiberstykker, der fastholdes i de to kobledele. Den korrekte aksiale placering af fiberstykkerne sikres af de præcisionsfremstillede styrestave 8, men ikke af hylsteret 14, eftersom dette hylster har radialt spillerum i forhold til kobledelen 2. I det indre af hylsteret 14 findes der en radial tap 22, der samvirker med en langsgående udvendig not 24 i kobledelen 2'. Stoppet 16 har en langsgående tap 24 til indsætning i et hul 26 i kobledelen 2. Herved er der sikret mulighed for en i omkredsretningen nogenlunde korrekt forudgående placering af holdestavene 2' i forhold til styrestavene 8.

Hylsteret 14 på hun-kobleleddet og kobledelen 2' i han-kobleleddet har et gevind 28, på hvilket man kan fastskrue et hylster 30, der med et vist spillerum omgiver de elementer af kobleleddet, der ligger bagud i forhold til kobledelene. Desuden har hver kobledel bagud en forlængelse 32 (fig. 1 og 3), som tjener til fastgørelse af et mellemled 34. Hvert element i det han-kobleled, der nu skal beskrives nærmere, svarer til et identisk element i hun-kobleleddet.

7 144927

Mellemledddet 34 har form som et rør, der i den ene ende har to langsgående, parallelle spalter 36 og 38, der i forhold til aksen er forskudt 90° fra hinanden. Hver spalte danner passage for en skrue, der tjener til fastholdelse af dette led på forlængelsen 32 med mulighed for justering i længderetningen.

Lidt længere tilbage har mellemleddet 34 en indre fortykkelse 40, hvori der kan indsættes en bøsning 42, i hvis aksiale lysning der anbringes en fiberholder 44 af keramik. Den bageste del af fiberstykket fikseres i denne fiberholder, således at den bageste ende af fibren rager ud, som vist ved 46.

De ovenfor beskrevne foranstaltninger giver mulighed for ved forskydning af skruerne i spalterne 36 og 38 at opnå, at den forreste ende af fiberstykket befinder sig i det plan, der indeholder den forreste ende af holdestavene 10.

Den bageste ende af det fastholdte fiberstykke er fri. Ud for den bageste ende af fiberstykket er der i væggen til mellemleddet 34 fire indbyrdes 90° forskudte åbninger 50, 52, 54 og 56, som giver mulighed for svejsning af bagenden af fiberstykket. Disse åbninger har f.eks. en længde på 7 mm i retning parallelt med aksen 4 og strækker sig over en vinkel på 30° i forhold til aksen 4, idet dette mellemled har en diameter på 10 mm. Disse åbninger giver adgang til den aksiale kontaktzone, hvori den bageste ende af det fastholdte fiberstykke befinder sig.

Mellemleddet afsluttes bagud af en forlængelse 58 til .fastgørelse af et spændeorgan, som har en aksial åbning for passage af en optisk transmissionsfiber.

Spændeorganet 60 (fig. 5) har i hovedsagen form som et rør.

Dets forreste ende har to parallelle, langsgående spalter 62 og 64, der er vinkelforskudt 90° fra hinanden, og i hver af hvilke der kan indsættes en skrue til justerbar blokering af dette organ på forlængelsen 58 på mellemleddet. I det indre af spændeorganet findes der en spændering bestående af fire ensformede stykker 66, der tilsammen danner en aksial kanal, og som kan forskydes radialt i retning mod aksen ved hjælp af en skrue, der ved sin aksiale bevægelse påvirker de koniske yderflader på de fire spændestykker 66. På denne måde kan man foretage en aksial fastspænding af en optisk transmissionsfiber 68, der har en yderkerne af polyamid-materiale.

Yderkappen fjernes fra den forreste ende af denne fiber, og den blottede ende placeres således i forhold til spændeorganet 60, at den kommer i anlæg mod den bageste ende af det fastholdte fiberstykke 46, når spændeorganet er fastgjort til forlængelsen 58. Dette er 8 UA9Z7 vist i fig. 6, hvor fiberenderne er svejset til hinanden, og hvor åbningerne, såsom åbningen 50, er dækket af hylsteret 30. Det radiale spillerum mellem dette hylster og mellemleddet 34 og spændeorganet 60 tjener til, når kobleleddet forbindes med han-kobleled-det, at sikre, at positionen af kobledelen 2, mellemleddet 34 og spændeorganet 60 er fastlagt af styrestavene 8, men ikke af det forreste hylster 14.

Selv Om dette ikke fremgår af tegningen, kan det være hensigtsmæssigt at anbringe endnu en yderkappe om transmissionsfibren 68, hvilken yderkappe er mere modstandsdygtig end førstnævnte vderkappe, og at blokere denne anden yderkappe i et andet spændeorgan beliggende bagud i forhold til spændeorganet 60 og således, at fibren er "slap" mellem'disse to spændeorganer, dvs. at fibren har en lidt større længde og bølger lidt mellem disse to organer. Herved undgår man e-ventuelle trækpåvirkninger på den første yderkappe.

Sammensvejsningen af fiberenderne sker ved hjælp af en oxygen-hydrogen-brænder 70 med mikrospids 72 (gennemboret metalnål) med en diameter på 0,1 til 0,2 mm. Flammen skal have en sådan temperatur, at man kan nå op til blødgørelsestemperaturen på ca. 1700°C for siliciumoxid. Flammens begrænsede dimensioner (længde 0,5 mm, diameter 0,2 mm) giver mulighed for at gennemføre sammensvejsningen i et begrænset rum. Dette er nødvendigt for at kunne sammensvejse fibrene inden i selve kobleleddet, idet svejseoperationen bevirker, at fibermaterialet gøres skørt i nærheden af svejsningen, hvorfor man ikke kan håndtere den tilsvejsede fiber. Det er derfor, man forbinder transmissionsfibren 68 fast med spændeorganet 60 forud for svejseoperationen. I forhold til de andre svejsemetoder, f.eks. lysbue mellem to elektroder, fokalisering af lys fra en lampe ved brændpunktet i et elliptisk spejl, giver svejsebrænderspidsen mulighed for at gennemføre svejseoperationen inden i kobleleddet. Fig. 7 og 8 viser et eksempel på et apparat til gennemførelse af en sådan sammensvej sning.

Kobledelen placeres på en fast bærer 74, der har en V-formet not. Kobledelen fastspændes ved hjælp af et organ 76.

Ved hjælp af en kikkert 78 med en forstørrelse på ca. 150 foretager operatøren en manuel justering, således at aksen og bagenden af den fastholdte fiber falder sammen med trådkorset i kikkerten.

Apparatet er således opbygget, at trådkorset i kikkerten svarer til aksen for indføring af brænderspidsen og for mikroflammen, idet brænderen kan forskydes horisontalt i retning vinkelret på aksen 4 9 144927 ved hjælp af en skrue 80.

Arbejdepositionen for brænderspidsen justeres ved hjælp af et stop. Afstanden mellem brænderspidsen og aksen gennem fibren er 0,8 mm.

Som følge af at brænderen i vertikal retning har en fast position i forhold til kikkertsoklen, vil fokuseringen automatisk bringe brænderspidsens akse i det horisontale plan, der indeholder fibren. Operatøren anbringer spændeorganet 60 på en bærer 82, som kan forskydes parallelt med aksen 4 ved hjælp af en skrue 83 efter anbringelse og blokering af transmissionsfibren i spændeorganet.

Et manipuleringsorgan 84, der er fast forbundet med den bevægelige bærer 82, giver mulighed for at justere positionen af fiberenden i to akseretninger, der står vinkelret på hinanden og på aksen 4. Dette organ betjenes ved hjælp af to skruer 86 og 88, der samvirker med en elastisk stav 90, og afsluttes af et V-formet parti, der omgiver fibren 68. Ved visuel iagttagelse gennem kikkerten kan operatøren bringe de to fibre til at falde sammen med hinanden, medens en translation af bæreren 82 giver mulighed for at presse den ene fiber mod den anden.

Kontaktzonen belyses både i retning af kikkerten 78 og i retning vinkelret derpå ved hjælp af to optiske belysningsfibre, som vist ved 92.

Operatøren iagttager to lysstreger, den ene, der skyldes brydning af lyset i fibren, den anden, mindre kraftige og finere, skyldes refleksionen af det lys, der står vinkelret på sigteretningen. Ved at placere de to lysstreger således, at de falder sammen, opnår man den korrekte placering af fibrene i de to akseretninger. Denne justering af lysstregerne til sammenfald kompletterer den første opretningsoperation, der resulterer i en direkte iagttagelse af de to fibre og af deres forskydning i det plan, der står vinkelret på kikkerten.

Derefter skal operatøren blot føre brænderspidsen i passende afstand fra fibrene, hvilket opnås ved at forskyde den bevægelige bærer, indtil der er kontakt med det forud justerede stop.

Gennem kikkerten 78 overvåger operatøren svejseoperationen, der varer ca. 5 sekunder.

Samtlige svejseoperationer gennemføres gennem de fire åbninger 50, 52, 54 og 56.

Når sammensvejsningen er færdig, og inden kobleleddet fjernes fra bæreren, forbinder operatøren spændeorganet med mellemleddet 34 ved hjælp af de to skruer, der er placerede i spalterne 60 og 62.