NL8301245A

NL8301245A - Werkwijze voor het lassen van optische vezels met geringe verliezen, als ook een inrichting voor het toepassen van zulk een werkwijze.

Info

Publication number: NL8301245A
Application number: NL8301245A
Authority: NL
Original assignee: Western Electric Co
Priority date: 1982-04-09
Filing date: 1983-04-08
Publication date: 1983-11-01
Also published as: GB2118322A; BE896414A; DE3312699A1; JPS58186713A; US4544234A; FR2524989A1

Description

*s— '< VO 4650

Titel: Werkwijze voor het lassen van optische vezels met geringe verliezen, als ook een inrichting voor het toepassen van zulk een werkwijze.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en inrichting voor het lassen van optische vezels als ook op aldus gesplitste optische vezels.

Voor het met elkaar verbinden van twee optische vezels zijn di-5 verse methodes ontwikkeld. Connectors en lassen behoren tot twee hoofdcategorieën van technieken voor het met elkaar verbinden van optische vezels. Terwijl typerend is voor connectors dat daarmee de mogelijkheid wordt geboden om een verbinding meerdere malen tot stand te brengen en te verbreken, worden lassen in de regel toegepast wanneer het gèwenst 10 is om twee optische vezels met elkaar te verbinden zodanig dat de verliezen zo gering mogelijk zijn. Momenteel bestaan er twee hoofdcategorieën van lassen voor optische vezels en wel: warmte-lassen en cement-lassen. Bij warmte-lassen worden de uiteinden van twee optische vezels tezamen gebracht en de vezels worden door middel van een vlam, een elek-15 trische boog of soortgelijk middel, gesmolten, teneinde de uiteinden aan elkaar te bevestigen. Bij cement-lassen worden de optische vezels met de uiteinden bij elkaar gebracht en aan elkaar bevestigd door middel van cementeren.

De geringe verliezen en de brede bandbreedte van enkel-modus 20 optische vezels is veelbelovend voor communicatieverbindingen over lange afstanden met een hoge transmissiecapaciteit. Door de geringe kem-diameter (in de regel minder dan 15 jm). van -enkel-modus vezels is het vormen van lassen echter moeilijk in vergelijking met multi-modus vezels, en de effecten van uiteinde kwaliteit, als ook transversale en 25 angulaire uitlijningsfouten zijn meer kritisch. Rapporten betreffende vezelverliezen die waarden aangeven van 0,35 db/km bij een diameter van 1,3 ^mi en welke verliezen zelfs lager zijn bij een diameter van 1,55 jm, maken dergelijke geringe verliezen opleverende lastechnieken van belang in verband met het verkrijgen van een maximale versterkstationafstand.

30 Indien bijvoorbeeld een las is aangebracht op een gemiddelde van 1 per km in een vezel met een inherent verlies van 0,4 db/km, en indien de las zelf een extra verlies toevoegt van 0,2 db, zal het gemiddelde ver- 8301245 - 2 - lies van de gelaste vezel 0,6 db/km bedragen. Indien echter het lasver-lies is verminderd tot 0,1 db zal het gemiddelde verlies van de gelaste vezel 0,5 db/km bedragen. Voor een typerende enkel-modus optische vezel-stelsel wordt geschat dat een dergelijke vermindering in verliezen een 5 toename oplevert van de maximale onderlinge versterkstationafstand van ongeveer 1 tot 2 kilometers. Aldus wordt een zeer belangrijk economisch voordeel verkregen wanneer het lasverlies tussen vezels met geringe verliezen wordt verminderd.

Conventionele lastechnieken die berusten op het uitlijnen van de 10 buitendiameter van de vezel, zoals "V'-groeven, staven, buizen en tot op zekere hoogte boog- en vlamlasverbindingen, leveren de laagst mogelijke lasverliezen slechts op voor vezels met goed gecentreerde kernen (< 0,2 excentriciteit). Kernc entre ertoleranties in het sub-micron-gebied kunnen waarschijnlijk niet worden aangehouden bij grootschalige 15 fabricage; daardoor is het te verwachten dat bij het lassen van niet-identieke vezels, waarbij gebruik wordt gemaakt vanmethodes voor het .richten van de vezelomhullingen, hogere verliezen zullen ontstaan Dit omvat mede boog- en vlamlassen, waarbij als gevolg van oppervlaktespanningen zelf-uitlijneffecten ten aanzien van buitendiameter of vezel-20 omhulling optreden.

Bij de techniek, waarop de onderhavige uitvinding betrekking heeft worden twee optische vezels met in hoofdzaak vlakke eindvlakken die in hoofdzaak loodrecht verlopen op de assen van de desbetreffende vezels, eind-tegen-eind geplaatst. Vervolgens wordt een van een gleuf 25 voorziene buis zodanig aangebracht, dat deze deze uiteinden omgeeft waarna deze buis voor ten minste een gedeelte wordt gevuld met cement, en wel een cement waarvoor kenmerkend is dat het door ultraviolette straling kan uitharden. De vezels worden uitgelijnd zodanig dat de ver-strooing van straling die door de vezels wordt geleid, is beperkt tot 30 een minimum zoals kan worden geneten met behulp van een verstrooiings- detector, waarna het cement wordt gehard. Naar keuze wordt vervolgens een huls, waarvoor kenmerkend is dat deze is uitgevoerd in de vorm van een buis van kwarts, over de las heengeschoven waarna deze wordt afgedicht met cement, waarna het geheel wordt uitgehard. Lassen die onder toepas-35 sing van deze techniek zijn gevormd voor enkel-modus optische vezels 8301245 * * - 3 - hebben lasverliezen opgeleverd met een daarvoor kenmerkende waarde die kleiner is dan 0,1 db en met een gemiddelde waarde van ongeveer 0,05 db.

De uitvinding zal in het onderstaande nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekening waarin: 5 fig. 1 een gedeelte weergeeft van een optische vezel,die is ge prepareerd voor een lasverbinding; fig. 2 een voorbeeld geeft, van een van een gleuf voorziene ü-vormige buis, die om een lasverbinding wordt aangébracht; fig. 3 illustratief'is voor de situatie waarin een lasverbinding 10 van optische vezels zich binnen de van een gleuf voorziene buis bevindt; fig. 4 een scbeana? geeft van een strooistralingsdetector die wordt gebruikt bij het uitlijnen van de vezels; fig. 5 een grafiek geeft ter illustratie van de verandering in het uitgangssignaal van de strooistralingsdetector als functie van een 15 transversale decentrering van de vezelkemen; fig. 6 een. schema geeft ter illustratie van een lasverbinding van optische vezels en die is versterkt door middel van een uit glas gevormde buitencilinder; en fig. 7 een schema, geeft van een inrichting, dienende om de vezels 20 tijdens het maken van de lasverbinding uit te lijnen.

De onderstaande gedetailleerde beschrijving heeft betrekking op een werkwijze voor het aan elkaar lassen van optische vezels als ook op vezels die met behulp van. een dergelijke werkwijze aan elkaar zijn vastgelast. De techniek kan worden toegepast zowel voor enkel-modus 25 als wel voor multi-modus optische vezels. Het meeste voordeel wordt echter verkregen bij toepassing op enkd.-modus vezels,aangezien deze een geringe kemdiameter bezitten, waarbij een daarvoor typerende waarde kleiner is dan 15 micrometer, welke diameter normaliter ligt in het gebied van 5 tot 12 micrometer, waarbij een nauwkeurige uitlijning is 30 vereist om geringe lasverbindingsverliezen te verkrijgen. De onderhavige techniek steunt niet op het gebruik van vezels met goed uitgelijnde kernen. De uitlijning vindt plaats tijdens het bekijken van de strooi-lichtstraling, die van de lasverbinding uitgaat, teneinde de best mogelijke uitlijning van de kern zelf te verkrijgen. Hierbij wordt gebruik 35 gemaakt van een van een gleuf voorziene buis, die dient om cement rondom 8301245 « \ - 4 - de vezeluiteinden vast te houden. Hierdoor is het mogelijk om van een betrekkelijk geringe hoeveelheid cement gebruik te maken, hetgeen de thermische eigenschappen van de lasverbinding verbetert, terwijl voor en tijdens het uitharden van het cement een nauwkeurige uitlij ning 5 mogelijk is.

Voor het toepassen van de onderhavige techniek verdient het aanbeveling ervoor te zorgen, dat de aan elkaar te lassen vezels in hoofde zaak vlakke eindoppervlakken hebben, die zich in hoofdzaak loodrecht uitstrekken op de as van de desbetreffende vezel. Technieken voor het 10 prepareren van vezels ter verkrijging van een hoogwaardige kwaliteit van eindoppervlakken, zijn bijvoorbeeld voorgesteld in het Amerikaanse octrooischrift 3.934.773. Een methode die is ontwikkeld voor het verkrijgen van vlakke eindoppervlakken die zich in hoofdzaak loodrecht uitstrekken op de as van de vezel, uitgaande van een relatief grote 15 hoeveelheid gebroken vezels, is aangegeven in de Amerikaanse octrooiaanvrage nr. 370.369. Een methode voor het vaststellen van de vlakheid en loodrechtheid van een eindvlak van een optische vezel, is beschreven in een artikel "Fiber Break Testing by Interferrometry: A comparison of Two Breaking Methods," van A.S-.- Gordon en andere, gepubliceerd in 2Q Applied Optics, ,Vol. 16, biz. 818-819 (1977). Onder "in hoofdzaak loodrecht" dient in dit verband te worden verstaan dat de brekingshoek van de vezel die is gedefiniëerd als de hoek tussen de as van de vezel en de normaal op het vlak van het eindoppervlak, kleiner is dan 1 graad.

Van de geprepareerde vezel is de deklaag over een lengte van 25 ongeveer 0,5 mm weggenomen, zoals in fig. 1 is aangegeven, waarbij de blote vezel 11 zich vanaf de deklaag 10 uitstrekt- Twee op dezelfde wijze geprepareerde vezels worden geplaatst in een lasbuis 21, waarvan een uit-voeringsvoorbeeld in fig. 2 is weergegeven. Voor een vezel met een buitendiameter van de bekleding van ongeveer 125 micrometer, heeft een 30 dergelijke lasbuis een lengte van ongeveer 2,5 mm, een buitendiameter van 0,9 mm, waarbij de breedte van de in de buis gevormde gleuf ongeveer 0,3 mm bedraagt. De buis 21 wordt zodanig aangebracht dat deze de uiteinden van de vezels omvat, zoals is weergegeven in fig. 3. Het blijkt van groot voordeel te zijn om voor het maken van een lasverbinding voor 35 optische vezels, gebruik te maken van een van een gleuf voorziene uit 8301245 <*· ·£ - 5 - glas gevormde buis. Zulks is voor een deel daaraan te wijten, dat de buis het voor de lasverbinding te gebruiken cement opsluit, waardoor het iegelijk is om in vergelijking met bekende technieken op dit gebied minder cement te gebruiken. Zulks betekent, dat het materiaal dat de vezels 5 omgeeft , voor een naar verhouding groot gedeelte uit glas bestaat en voor een naar verhouding gering gedeelte uit cement. Hierdoor worden betere thermische eigenschappen verkregen dan bij een lasverbinding waarbij het omgevingsmateriaal overwegend cement is; een dergelijke verbetering hangt samen met het verschil tussen de thermische uitzet-10 tingscoëfficiënten van glas en typerende soorten van cement. Bovendien bestaat de mogelijkheid om de vezels binnen de buis te bewegen voordat het cement is uitgehard, waardoor de vezels nauwkeurig kunnen worden uitgelijnd zodat de kernen tegenover elkaar zijn gelegen.

Alhoewel talrijke soorten van cement kunnen worden gebruikt, 15 blijkt een soort in het bijzonder goed te voldoen, en wel een cement dat doorultravioletstraling kan uitharden? een dergelijk cement heeft een viscositeit van 350 cps, een modulus van 150.000 psi, een treksterkte van 3.000 psi, een breukrek van 38 procent, een Shore-D-hardheid van 85, en een brekingsindex van 1,56. Een meer nauwkeurige uitlijning 20 van de vezelkemen is mogelijk, doordat de brekingsindex-aanpassing tussen de vezelkemen als gevolg van het cement is verbeterd, in vergelijking met een luchtspleet. Het cement dat zich in een van een spleet voorziene buis van bovenomschreven uitvoering bevindt, kam worden uitgehard door een straling met een golflengte van 366 nanometer en welke 25 straling uitgaat van een lamp die op een afstand van 38 cm van de las- 2 verbindingsbuis een vermogen levert van 7.000 microwatt per cm _

Door gebruik te maken van een glazen lasverbindingsbuis wordt de doorgang van de ultravioletstraling naar het cement bevorderd. Indien het gebruikte soort van cement voor het uitharden geen straling vereist 30 kunnen andere soorten van lasverbindingsbuizen worden gebruikt.

Teneinde een juiste uitlijning tussen de vezels nauwkeurig te kunnen meten, wordt gebruik gemaakt van een strooistralingsdetector, zoals in fig. 4 is weergegeven. Tijdens de uitlijnoperatie wordt optische straling 44 via een van de vezels naar de lasplaats toege-35 leid. Alhoewel niet noodzakelijk heeft de optische straling gewoonlijk een golflengte die overeenkomt met de werkgolflengte van de vezel.

8301245

V

- 6 -

Deze straling kan eenvoudig worden aangeboden bij een toegankelijk eindpunt van de vezel. Volgens een alternatieve methode kan deze straling in de vezel worden ingevoerd door middel van een koppelinrichting en wel op een plaats die zich betrekkelijk dicht nabij de lasplaats 5 bevindt. Indien de kernen van de twee vezels niet zijn uitgelijnd, wordt een gedeelte van de straling verstrooid en geleid naar de bekleding van de vezel en van daaruit naar de deklaag. Indien de deklaag niet opaak is, blijkt dat voor het schouwen van de strooistraling gebruik kan worden gemaakt van een detector met een voldoende gevoeligheid. IQ. Een voor het doel geschikte detector omvat een van een gleuf voorziene buis van de soort, zoals weergegeven in fig. 2, waarbij echter een hiervoor kenmerkende lengte "L” van ongeveer 10 cm wordt toegepast.

De buis 41 wordt rondom de vezel 40 geplaatst. Voor maximale gevoeligheid wordt de buis gevuld met een index-aanpassend fluïdum; Cargille-15 index olie met een brekingsindex van 1,47 kan voor dit doel met goed gevolg worden gebruikt. Het gebruik van een aanpassingsfluidum is niet voor alle gevallen noodzakelijk en het hangt af van de sterkte van de door de vezel geleide straling. Een detector 42,. bijvoorbeeld een indium gallium arsenide detector voor optische straling met een golf-20 lengte van ongeveer 1,3 micrometer, is geplaatst bij het uiteinde van deze buis, zoals in fig. 4 is weergegeven. Gebleken is dat wanneer het uiteinde van de van een gleuf voorziene buis loodrecht verloopt op de as van de buis, zoals weergegeven, de opvang van strooistraling maximaal is. Zulks is van belang voor enkel-modus optische vezels met grote 25 lengten, aangezien de stralingsbron zich op een aanzienlijke afstand van de lasverbinding zelf verwijderd kan bevinden.

Zoals door de in het onderstaande beschreven procedures nader zal worden geïllustreerd, wordt de strooistralingsdetector gebruikt voor het uitlijnen van de vezels. De hoge gevoeligheid van deze detector is 30 geïllustreerd in fig. 5 waarin is aangegeven hoe een signaal afkomstig van de detector verandert als een functie van de decentrering van de twee vezels; zie in dit verband in het bijzonder de kromme 51. Ter vergelijking is getekend een kromme 52, die aangeeft de hoeveelheid licht die door de vezel zelf wordt uitgezonden als functie van de de-35 centrering. Zoals uit inspectie blijkt, ontstaat voor een gegeven mate 8301245 - 7 - van decentrering een relatief grote signaalverandering wanneer locale strooistraling in de buurt van de lasplaats wordt bekeken. Door toepassing van een op het bekijken van strooistraling berustende techniek kan aldus een duidelijk meergevoelige nulpuntsindicatie worden verkregen 5 dan wanneer uitsluitend de hoeveelheid via de vezel uitgezonden lichtstraling wordt bekeken.

Gebleken is, dat een lasverbinding van de in het voorafgaande beschreven soort, zeer geringe lasverliezen oplevert. In talrijke gevallen is het echter gewenst om de lasverbinding van een extra mechanische 10 versterking te voorzien. Daartoe wordt over de lasverbinding een kwarts-huls 61 geschoven met een inwendige diameter van ongeveer 1 mm, een buitendiameter van ongeveer 2. mm en een lengte van ongeveer 14 mm als daarvoor typerende waarde.De uiteinden van de kwartsbuis worden afgedicht met cement 62 waarbij het in het voorafgaande beschreven cement 15 goed blijkt te voldoen, waarna gedurende ongeveer 4 seconden wordt uitgehard. De volgens het voorafgaande recept gemaakte lasverbinding heeft een dusdanige mechanische sterkte, dat deze in een voor zulke lasverbinding typerende behuizing of ander omhulsel kan worden geplaatst.

De lasverbindingstechniek zal verder worden geïllustreerd onder ver-20 wijzing naar het volgende voorbeeld:

VOORBEELD

Twee optische vezels werden gekloofd zodanig dat in hoofdzaak vlakke eindoppervlakken werden verkregen met een loodrechtheid ten opzichte van de desbetreffende vezelassen binnen 1 graad. De vezeluitein-25 den werden gereinigd in ethanol onder gebruikmaking van een met ultra-geluidwerkende reinigingsinrichting. Zoals in fig. 7 schematisch is aangegeven, werd één vezel 701 geplaatst in een vacuumhouder 702 die zich bevindt op een beweegbaar plateau 703. Een tweede vezel 704 werd op soortgelijke wijze geplaatst in een vacuumhouder 705 op een beweegbaar 30 plateau 706. Straling met een golflengte van 1,3 micrometer werd axiaal gericht in de kern van de vezel 701; de strooistralingsdetector 41-42 (niet weergegeven) werd rondom de andere vezels 704 geplaatst. De vezels werden in eerste aanleg uitgelijnd met een microscoop met een sterkte van ongeveer 35, waardoor de bekledingen van de vezels werden uitgelijnd.

8301245 m - 8 -

De uiteinden van de vezels werden gedurende deze fase op een geringe afstand van elkaar geplaatst (ongeveer 10-15 micrometer spleetbreedte), teneinde uitlijning mogelijk te maken. Vervolgens werd de strooistra-lingsdetector bekeken ter verkrijging van een beginuitlijning van de 5 kernen. De van een gleuf voorziene lasverbindingsbuis 31 werd geplaatst op een van een groef voorziene drager 707 en door middel van een beweegbaar plateau 708 omhoog gebracht zodanig,dat de lasverbinding werd omvat zonder dat deze werd aangeraakt. De lasverbindingsbuis werd gevuld met cement van de soort Norland NOA 61 cement. De vezels werden over een 10 afstand van enige micrometer naar elkaar toe bewogen en opnieuw uitgelijnd onder gebruikmaking van de strooistralingsdetector, teneinde het nulpunt waar te nemen. Vervolgens werden de vezels opnieuw dichter bij elkaar gebracht en uitgelijnd, totdat de uiteinden in aanraking met elkaar waren. Zulks werd waargenomen door vast te stellen dat het detec-15 toruitgangssignaal onveranderd bleef wanneer de uitlijnplateaus 703 en 704 over een geringe afstand werden bewogen. Vervolgens werd het cement gehard door het gedurende vier seconden te belichten met ultraviolet-straling. Een silica glas (kwarts) cilindrische huls, die eerder was aangebracht op een van de vezels werd vervolgens over de lasverbinding 20 heen geschoven. De uiteinden van deze buis werden gevuld met cement zonder dat het middengedeelte dat de van een gleuf voorziene lasverbindingsbuis omgeeft werd gevuld. Het cement werd uitgehard op de in het voorafgaande beschreven wijze.

8301245

Claims

1. Werkwijze voor het lassen van twee optische vezels met in hoofdzaak vlakke eindoppervlakken, die in -hoofdzaak loodrecht verlopen op de as van de vezel, met het kenmerk, dat de vezeleindvlakken in eikaars nabijheid worden geplaatst; deze uiteinden worden omgeven met een eerste 5 buis, die ten minste gedeeltelijk is gevuld met cement; - straling wordt geleid via ten minste één van genoemde vezels in de richting van de eind-vlakken; deze vezels in axiale zin worden uitgelijnd en wel door de hoeveelheid strooistraling die vanaf deze uiteinden uitgaat tot een minimum terug te brengen; en genoemde vezels in uitgelijnde toestand 10 worden gefixeerd door het genoemde cement te doen uitharden.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat rondom genoemde eerste buis een orgaan wordt aangebracht; en dit orgaan op zijn plaats wordt gecementeerd.

3. Werkwijze volgens de cocnlusies 1 of 2, met het kenmerk, dat de 15 straling die vanaf genoemde uiteinden wordt verstrooid wordt gedecteerd met behulp van een van een gleuf voorziene buis, die een gedeelte van een van genoemde twee vezels in de buurt van genoemde eindvlakken ten minste gedeeltelijk omvat, waardoor licht, dat van genoemde eindvlakken wordt verstrooid, in genoemde buis wordt ingekoppeld en daardoor wordt 20 gericht naar een detector.

4. Inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens een van de voorafgaande conclusies 1 tot en met 3, voor het aan elkaar lassen van optische vezels, met het kenmerk, dat genoemde lasverbinding de uiteinden omvat van genoemde optische vezels die in axiale zin zijn uitgelijnd, 25 alsook is omvat door een buis, die ten minste gedeeltelijk is gevuld met cement.

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat genoemde lasverbinding verder omvat een cilinder die genoemde buis omvat, waarbij de eindgedeelten van deze cilinder ten minste gedeeltelijk zijn gevuld 30 met cement.

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat genoemde vezel een enkel-modus vezel is. 8301245 * - 10 -

7. Inrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat genoemde buis in hoofdzaak uit silicaglas is gevormd; "en genoemd cement van de soort -is dat door ultravioletstraling kan worden gehard. 8301245