JP4162999B2 - 減衰器 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバから減衰要素を製造する方法、および該減衰要素を製造するための装置に関する。

光減衰要素は、横方向にオフセットを持たせて２本の光ファイバを互いに溶接することによって製造することができる。すなわち意図的に生み出されたコアのミスアラインメントを有し、したがって大きな損失を有するスプライスを製造する。次いで、修正された制御プログラムを有する自動型の溶接装置を使用することができる。この溶接プロセスの制御はリアル・タイムで実施することができる。この溶接装置の電子プロセッサは例えば、光源を発しスプライスを横切って伝搬する光のパワーを測定するパワー・メータからの情報を溶接プロセス中にリアル・タイムで取得し、この情報を使用して電気アークを制御することができる。この方法は、まず最初に所要の損失を選択することを含む。次いで、オフセットを有するスプライスを製作する。このスプライシング・プロセスの加熱の間中、現在の損失を絶えず読み続ける。ファイバの溶融ガラス材料はオフセットを低減する表面張力を有し、損失は加熱の間に徐々に低下する。所要の損失まで損失が低下したら、電気アークを止め、それによって加熱を止める。

この方法は例えば、米国特許第５６３８４７６号明細書に対応する公告された国際特許出願第ＷＯ９５／２４６６５号明細書、米国特許第５８９７８０３号明細書、および公告された欧州特許出願第０５９４９９６号明細書に記載されている。

この方法にいくつかの問題が存在するのは明らかである。主な問題は、この方法を使用すると、結果として生じるスプライスのスプライス損失が正確にならないことである。したがって基本的な問題は、この方法に基づく溶接プロセス中に測定されるスプライスの損失が、溶接プロセス完了後に直接に測定される損失とは異なる点である。多くの場合、損失は、溶接完了後のほうが小さくなる。その差は、約２００μＷ、すなわちおおよそこの値の入力光パワーの基準点の約３〜１５ｄＢの損失で約０．５〜２ｄＢである。

この効果は、ファイバが発光すること、または電気アークからの光がファイバの中で伝送されることによってより多くの光が、幅広いスペクトル応答性を有する検出器に入射することによって説明することができる。しかし、光源を非活動化したときの試験から、ファイバおよび電気アークによって発射される光はこの効果にほとんど寄与しないことが分かった。このパワーの大きさはｎＷ程度であり、これは、基準点が約２００μＷである場合に測定された差０．５〜２ｄＢの非常に小さな部分でしかない。

この差の説明はむしろ、おそらくは、存在する大きな熱差（ｈｅａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）によってスプライスの光特性が変化することに関連している。例えば、屈折率が変化する可能性があり、これによって全反射の条件が変化し、または損失を左右するモード・フィールド径が変化する可能性がある。これらのステップは、スプライスが熱いのか、または冷たいのかに基づくファイバ間の横方向のオフセットの差によって生じると考えることもできる。

本発明の目的は、所定の値または所要の値とぴったり一致した光減衰または光損失を有する光減衰要素を製造する方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、所望の値とぴったり一致した減衰を有する光減衰要素を製造する目的で、２本の光ファイバを互いに溶接するための装置を提供することにある。

一般には、光ファイバから光減衰器を製造する。従来の方法では、２本の光ファイバの端部領域を、互いに対して横断方向にオフセットを有し、それらの端面が互いのところにあるように配置する。その後、端部領域の端面を加熱して端部を互いに溶け合わせ、次いで加熱をさらに継続する。加熱を停止し、溶け合わせ加熱した領域を最終的に冷却させる。完成した減衰スプライスの損失を所要の値にするためには、計算された値だけ所望の損失を上回っている光損失のところで、この追加の加熱を停止する。この値は、継続中の加熱の間にリアル・タイムで実施したこのスプライスの損失の測定、または同じ初期オフセットを有する全く同じファイバ間で以前に作られたスプライスに対して実施した測定から得られる。具体的には、追加の加熱の間に、少なくとも１回、好ましくは２回、この追加の加熱を一時的に中断することができ、損失は、このような中断の始めと終わりに損失を測定することができる。これらの損失値を、加熱を最終的に停止するときの損失値の計算に使用する。

継続中の加熱の間にスプライスまたは溶接が獲得し、その値で加熱を完全に停止する損失値を決定する。加熱は、高温のスプライスで所望の損失が達成される少し前に停止される。次いでスプライスを冷却すれば減衰器の製造手順が完了し、スプライスは、所要の損失とぴったりと一致した光損失を獲得する。

このタイプのリアル・タイム溶接アーク制御を使用して減衰器を製造する利点は特に、損失の情報が直接に使用可能なため、例えばファイバの横方向のオフセットおよびモード・フィールド径を知る必要があるモデルを使用する必要がないことである。

本発明の追加の目的および利点は以下の説明に記載されており、部分的には以下の説明から明白であり、または本発明の実施によって知ることができる。本発明の目的および利点は、特に添付の請求項に指摘された方法、プロセス、手段および組合せによって実現し、獲得することができる。

本発明の新規の特徴は、特に添付の請求項に記載されているが、構成および内容に関する本発明の完全な理解、ならびに本発明の以上の特徴および他の特徴の完全な理解は、添付の図面を参照して以下に提示される非限定的な実施形態の以下の詳細な説明の検討から得ることができ、本発明は、添付の図面を参照して以下に提示される非限定的な実施形態の以下の詳細な説明の検討からより深く理解される。

図１に、溶接部を横切る透過を測定しながら２本のファイバ３_ｌ、３_ｒを互いに溶接するファイバ溶接装置１の概略図を示す。右側のファイバ３_ｌはその遠端で、ファイバに光を発射する光源５に接続されている。左側のファイバ３_ｒはその遠端で、パワー・メータ７の形状の光検出器に接続されている。

ファイバ３_ｌ、３_ｒは、その端部領域が、その間にファイバの端部を加熱するための放電が生み出される電極９のポイント間に位置する。放電の強さは電極９間の電流によって決まる。ファイバは、３つの直交座標方向、すなわちファイバの縦方向に平行な１つの方向とこの方向に対して垂直な２つの方向に動く保持器１１によって保持される。保持器１１は、制御モータ１３によって、適当な機械式ガイド（図示せず）に沿って移動するように操作される。光源５、電極９およびモータ１３への電気ケーブルは、電子回路モジュール１５ならびにその中のドライバ回路１６、１７および１９から延びている。パワー・メータ７は、回路モジュール１５の中の測定インタフェース２０に接続されている。ビデオ・カメラ２１は、溶接位置、すなわちファイバ３_ｌと３_ｒが互いと接触する領域の画像を連続的に撮影することができる。それは、電子回路モジュール１５の中のビデオ・インタフェース２３に接続された電気線を通り、ビデオ・インタフェース２３から適当な画像信号が画像処理／画像分析ユニット２５に供給される。溶接位置の画像は、ユニット２５に接続された表示装置２６に表示することができる。有利には画像が、互いに垂直な２方向から同時に撮影した画像を含む。

加熱／溶接プロセスのさまざまな段階は制御回路２７、例えば、やはり画像処理／画像分析ユニット２５に接続された適当なマイクロプロセッサまたはコンピュータ、あるいはプロセッサとコンピュータの結合体の形状の制御回路２７によって制御される。制御回路２７は、溶接プロセスのさまざまな段階を実行するための信号を供給し、この回路は、それぞれのドライブ回路／インタフェースを介して電極、モータおよびカメラに接続されている。したがって制御回路２７は、モータ１３を適当な変位方向に活動化させることによってファイバ端部の互いに対する動きを制御し、さらに、撮影した画像の解析を開始させる信号を画像処理／画像分析ユニット２５に供給する。制御回路２７はさらに、適当な電圧を電極９に印加することによって、加熱または溶接を開始する時刻を制御し、さらに、この電圧を印加する時間枠を制御する。この制御回路はさらに、光源を活動化させてファイバ３_ｌの中に光を発射させる信号を光源に送る。この制御回路は、測定されたパワー値の情報をパワー・メータ７から受け取る。

保持器１１によって保持されたごく近くに位置するファイバ３_ｌ、３_ｒの端部領域を、ファイバの縦軸と縦軸の間、またはコアとコアの間に所定の初期オフセットがあるように配置し、その後に、制御された溶接を実施し、続いて加熱を延長することによって光ファイバ減衰器を製造することができる。先に挙げた米国特許第５６３８４７６号に対応する特許出願第ＷＯ９５／２４６６５号、米国特許第５８９７８０３号、および欧州特許出願第０５９４９９６号と比較されたい。

光源５からファイバ３_ｌに導入される光パワーが既知の場合には、パワー・メータ７から得られた受信光パワー値を、ファイバ３_ｌと３_ｒの間のスプライスの光損失値に容易に計算し直すことができる。したがって、溶接段階後の延長加熱プロセス中、いつでも光損失を求めることができる。図２に、コア／クラッド間の初期オフセットを有するスプライスの、電気アークの電流を一定にした延長溶接期間中の損失を時間の関数として示す。パワー・メータ７が読んだ値が２２．５ｄＢを初めて下回ったときに、電極９間のアークを停止させた。この図には、この停止の後に損失が約２ｄＢ、急速に低下する様子がはっきりと示されている。

試験において、電気アークの電流強さを同じにして、初期オフセットを有するスプライスを加熱したときに数回の中断を実施した。図３を参照されたい。図３は、電気アークをさらに２回中断させるほかは基本的に図２と同じ加熱手順を示す。ファイバ端を互いに溶接する初期溶接後に電気アークが活動化されていた全ての期間にわたって同じ電流の強さを使用した。グラフ中の「ホップ」または「ステップ」が、その時点のスプライスの光損失、すなわち電気アークを停止したときに存在した損失に依存することは明らかである。

粘度、表面張力およびファイバ直径が一定である場合、延長加熱中のオフセットの値は、時間とともに指数関数的に低下する。先に挙げた特許出願／特許およびこれらの中で参照されている他の文献を参照されたい。さらに温度または電流が一定である場合、このことはおそらく、なおさら当てはまる。横方向のオフセットが大きい場合のよいモデルである突合せ継手理論（ｂｕｔｔ−ｊｏｉｎｔ ｔｈｅｏｒｙ）によれば、ｄＢで表された損失はオフセットの２次関数あり、したがって損失も、時間とともに指数関数的に低下するはずである。したがってステップの大きさも、加熱時間とともに指数関数的に低下する可能性がある。しかし、加熱時間中の条件は、使用される溶接電流、電極の状態などに依存し、多くの場合、繰返し性はあまりよくない。

したがって、延長加熱プロセス中のスプライスの瞬時損失を考慮し、ステップの大きさがこの損失の関数であり、あるいは同等にスプライスの減衰または透過の関数であると仮定したほうがよい。多くの場合、ステップの大きさがスプライスの瞬時損失に直線的に依存する、例えばスプライス中の瞬時損失に比例することを前提とする線形モデルを、良好な正確さで使用することができることは明らかである。このようなモデルはおそらく、原則として、時間に対する指数関数的依存性と等価であるとみなすことができる。

この線形モデルは一般に下式によって与えられる。図３と比較されたい。

ΔＬ＝ｋＬ＋ｍ （１）

上式で、ΔＬはステップまたはホップの大きさ、Ｌはステップの始まりの損失、ｋおよびｍは定数である。これらは、実験的に求めた測定値から決定することができる。これらを決定するためには、モデル中の定数またはパラメータの数に等しい回数の中断、すなわちこのケースでは２回の中断に対する測定値が必要である。図３に示したケースでは、損失Ｌ_１に対するステップΔＬ_１の大きさ、および損失Ｌ_２に対するステップΔＬ_２の大きさを測定することができ、これらから、ｋおよびｍの値を計算することができる。

先の議論に基づく線形モデルでは２つの定数ｋおよびｍが使用され、これらの定数を決定する必要がある。しかし、定数ｋおよびｍのうちのどちらか一方が予め分かっている値を有しているとみなし得る場合には、もう一方の定数だけを決定すればよい。１つの定数だけ求めるのであれば、１回の中断で損失を測定するだけでよい。適当に選択された一群の関数を使用する他のモデルを考え、これから、１回または数回の中断におけるリアル・タイムの測定によって、特別に選択された関数を選択することもできる。このような一群の関数は、適当に選択された指数関数を含むことができる。

最終結果が所望の損失Ｌ_ｄｅｓとなるように電気アークをその値で停止させる、リアル・タイムで測定される損失値Ｌ^＊は、先の説明に基づく線形モデルについて、下式から計算することができる。

Ｌ^＊＋ΔＬ^＊＝Ｌ_ｄｅｓ （２）

上式で、ΔＬ^＊は、損失Ｌ^＊で加熱を中断したときに得られるステップの大きさである。（１）および（２）から下式が得られる。

Ｌ^＊＝（Ｌ_ｄｅｓ−ｍ）／（１＋ｋ）

図３の複数の小円は、それぞれ電気アークを停止した時刻および電気アークを開始した時刻を表す。スプライス損失が安定な値となるまでの時間があるように、電気アークを停止し続ける時間は、１．５から３．０ｓの長さを有していなければならない。

したがって要約すると、図３を得る際と同じように、所望の損失を達成する前に電気アークを２回中断することによって、線形モデル中の定数ｋおよびｍを決定し、これらからＬ^＊を決定することができる。Ｌ^＊に到達したときに電気アークが最終的に停止されるように、これをリアル・タイムで実施して、所望の減衰を有する減衰器を製造することができる。

いくつかの試験を実施した。設定値および得られた損失を図２に示す。この図で、ｃｕｒｒｅｎｔ２は、溶接作業中に使用され、いくつかのケースでは、所要のスプライス損失を得るために延長加熱中にも使用される電流の強さの値である。これは、ｃｕｒｒｅｎｔ３がゼロに等しいことによって指示される。他のケースでは、スプライシング操作後の、所要のスプライス損失を得るための延長加熱中に、より低い電流の強さが使用される。この電流速度は、この量が非ゼロであるときのｃｕｒｒｅｎｔ３によって指示される。初期オフセットは、所要の損失に比べておよそ２倍の損失、すなわち２・Ｌ_ｄｅｓにほぼ等しい損失を与えるように設定することができる。表１は、多くの場合に、所望の値に非常に近い減衰値を有する減衰器が最終的に得られることを証明している。

リアル・タイムで実行される方法では、以下の段階が実行される。

１．ファイバの縦方向を互いに平行にして、ファイバの端面を互いのところに配置する。

２．そのオフセットでファイバを互いに溶接した場合に、所望の損失よりもはるかに大きな損失、例えば所望の損失の２倍、すなわち２・Ｌ_ｄｅｓに実施的に等しい損失を与えるであろう横方向または横断方向のオフセットを持つように、ファイバを横断方向に位置合わせする。

３．多少のいわゆるオーバラップを使用して、すなわちファイバの端部が互いに対していくぶん押しつけられるようにして、ファイバの端面を互いに縦方向に近づける。

４．大きな溶接電流を使用して電気アークを開始させ、溶接を短時間で完了させる。

５．所望ならば、電気アークを流れる電流の強さをより低い一定の値まで低減し、スプライスの損失を絶えず測定する。

６．少なくとも１回および好ましくは２回、電気アークを停止させ、再開する。それぞれの中断は、中断の終わりの減衰がある一定値に到達できるように、すなわち溶接位置が十分に冷却するだけの時間があるように、十分な長さを有していなければならない。それぞれの中断の始めと終わりの損失の値を記録する。最初の中断は、損失が例えば、所望の損失を約７０〜８０％、例えば約７０％上回る値にまで、すなわち１．７・Ｌ_ｄｅｓにまで低下したときに実施することができる。この中断の直前および直後の損失の測定値からΔＬ_１を計算する。追加の中断を実施する場合には、スプライスの損失が、この値のおよそ２倍であると測定されたとき、すなわちＬ_ｄｅｓ＋２ΔＬ_１で実施することができる。これらの損失の測定値から、その値のときに電気アークによって得られる継続中の加熱を停止する損失Ｌ^＊を計算する。

７．損失Ｌ^＊が得られたら電気アークを停止する。

８．互いに溶接されたファイバをそのまま冷却させる。

これらの段階を制御するため、プロセッサ２７はさまざまなモジュールを含む。モジュール３１は、ファイバ端の位置決めを取り扱い、したがってモジュール３１は、ユニット２５から情報を受け取り、セッティング・モータ１３に転送する信号を生成する。別のモジュール３３は電極を流れる電流を制御し、このモジュールは、それぞれ、溶接のための電流を決定し、継続中の加熱の電流を決定し、継続中の加熱時の中断の時間を決定するサブモジュール３５〜３９を含む。第３のモジュール４１は、パワー・メータ７からの信号から出発してスプライスの現在の損失を計算した。第４のモジュール４３は計算された損失値を使用し、このモジュール４３は、計算された損失値の少なくとも一部分を記憶し、パラメータｋおよびｌを計算し、損失の停止値Ｌ^＊を計算する、サブモジュール４５〜４９を含む。

ファイバの初期アラインメントが正確に決定される場合には、Ｌ^＊の決定を、最初のファイバ・スプライスおよび減衰要素に対して実施し、その後、同じタイプのファイバから製造された同じ初期オフセットを有する一連の減衰器に対しては同じＬ^＊値を使用する。しかし、スプライシング操作中の加熱条件は繰返し可能ではないので、製造される減衰要素で、同じ良好な正確さの損失が常に得られるとは限らない。リアル・タイム測定およびリアル・タイム制御を含む好ましい方法では、Ｌ↑＊の決定が延長加熱時間中の測定に基づいてスプライスごとに実施されるので、これらの加熱条件が影響することはない。

本明細書では、本発明の特定の実施形態を図示し説明したが、当業者には、多数の追加の利点、修正および変更が明白であることを理解されたい。したがって、そのより幅広い態様において本発明は、本明細書に示し説明した特定の詳細、代表的装置および示された例に限定されない。したがって、添付の請求項およびその等価物によって定義される本発明の全体概念の趣旨または範囲から逸脱することなくさまざまな修正を実施することができる。したがって、添付の請求項は、本発明の真の趣旨および範囲に含まれるこのような全ての修正および変更をカバーするものである。

光ファイバを互いに溶接するための自動装置の概略図である。 従来技術に従って光減衰器を製造したときの、初期オフセットおよび延長加熱を用いて溶接されたスプライスの損失を、時間の関数として示す図である。 延長加熱中に２回の中断を含むことを除いて基本的に図２と同じ方法を使用して光減衰器を製造したときの図２と同様の図である。

Claims (12)

1. ２本の光ファイバから所要の光損失を有する光減衰器を製造する方法において、
   横方向または横断方向のオフセットを有する２本の光ファイバの端部領域を、２本の光ファイバの端面が互いのところに位置するように配置する工程と、
   領域を加熱して溶かされた領域を形成すると共に２本の光ファイバの端部を溶かされる領域内で互いに溶かされて２本の光ファイバ間のスプライスを形成する加熱工程と、
   その後、溶かされる領域を経て２本の光ファイバに沿って通る光のために所要の光損失が溶かされる領域内で実質的に得られるまで加熱を継続する工程と、
   継続加熱工程中に、溶かされる領域を経て２本の光ファイバに沿って通る光のための光損失を測定する工程と、
   溶け合った領域を最終的に冷却させる工程とを備え、
   測定工程で測定されるように、溶かされる領域を経て２本の光ファイバに沿って通る光のための測定された光損失が、２本の光ファイバ間で形成されたスプライスまたは同一の最初の横方向または横断方向のオフセットを有する等しい光ファイバ間のスプライスのために前もってなされた光損失の測定から計算された値だけ所要の光損失を超える時に継続加熱工程中の加熱が停止されることを特徴とする方法。
2. 前記溶かされる領域を経て２本の光ファイバに沿って通る光のための測定された光損失の測定工程において前記測定が、加熱を最終的に停止する前に継続中の加熱を少なくとも１回の時間枠の間、一時的に中断し、この少なくとも１回の時間枠における光損失を測定することによって実施されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記測定が、継続中の加熱の少なくとも２回の中断時に実施されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記測定が、少なくとも１回の中断の始めと終わりに光損失を測定することによって実施されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
5. 前記測定工程においてなされる前記測定の結果を使用して、一群の関数の中の単一の関数を特徴づける少なくとも１つのパラメータまたは定数を決定することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記一群の関数が、２つの定数によって特徴づけられる線形関数を含むことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 所要の光損失を有する光減衰器を光ファイバから製造するための装置において、
   −光ファイバの２つの端部領域を保持し移動させるための保持／アラインメント手段と、
   −前記端部領域のファイバの端面領域を加熱するための加熱手段と、
   −一方の端部領域から他方の端部領域へ伝搬する光の光損失を測定するための損失測定手段と、
   −保持／アラインメント手段、加熱手段および損失測定手段に接続され、最初に、横方向または横断方向のオフセットを有し、その端面が互いのところに位置するように端部領域を配置するよう保持／アラインメント手段を制御し、その後、ファイバの端面領域を互いに対して溶け合わせ、その後も加熱を継続するよう加熱手段を制御し、継続中の加熱の間に、損失測定手段から光損失の測定値を受け取り、光損失の測定値に基づいて継続中の加熱を停止するよう加熱手段を制御するように配置された制御手段と
   を備えた装置であって、
   損失測定手段によって測定された光損失が、このスプライス、または同じ初期オフセットを有する全く同じファイバ間のスプライスの光損失の以前の測定から計算された値だけ所望の損失を上回ったときに継続中の加熱を停止するよう加熱手段を制御するように制御手段が配置されていること
   を特徴とする装置。
8. 制御手段が、継続中の加熱を最終的に停止する前にこの継続中の加熱を少なくとも１回の時間枠の間、一時的に中断するよう加熱手段を制御するように配置されていることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 制御手段が、継続中の加熱を少なくとも２回の異なる時間枠の間、一時的に中断するように配置されていることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 制御手段が、前記少なくとも１回の時間枠の始めと終わりの光損失の値を、前記以前の測定値として使用するように配置されていることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
11. 制御手段が、測定値が供給され、この測定値を使用して、一群の関数の中の単一の関数を特徴づける少なくとも１つのパラメータまたは定数を決定するように配置された計算手段を含むことを特徴とする、請求項７に記載の装置。
12. 計算手段が、２つの定数によって特徴づけられる線形関数を前記一群の関数として使用するように配置されていることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。