SE502374C2 - Förfarande och anordning för att skarva en optisk fiber av en typ med en optisk fiber av en annan typ. - Google Patents

Description

502 374 2 intill skarven. Eftersom en gradvis och kontinuerlig övergång från den ej upphettade delen av fibern till den upphettade ändde- len föreligger i området intill fiberns ändyta, fås i detta om- råde intill fiberskarven inte så stora förluster, som i själva skarvpartiet, där såsom lätt inses, reflektioner kan äga rum på grund av den abrupta förändringen av den optiska transmissions- diametern.

Vid en tillräckligt lång uppvärmning kan emellertid de optiska transmissionsdiametrarna hos fibrerna intill skarvpartiet fås att överensstämma, se fig. 6, där den optiska förlusten i fiberskar- ven är avsatt som funktion av tidslängden för uppvärmningen av fibrernas ändar, som skall skarvas. Det visade diagrammet visar förlopp för skarvning av erbiumdopad fiber med dispersionsskift- fiber (DSF). Den tidslängd, som ger en minimal förlust i fiber- skarven, har hittills bestämts experimentellt genom att utföra försök för ett antal olika tidslängder och härur bestämma den tidslängd, som ger den minimala förlusten. Ett sådant förfarande är emellertid dels tidsödande, dels enbart giltigt för de två speciella fibertyper, som har använts vid experimentet, eftersom samma fibertyp från olika tillverkare kan ge olika tidslängder för att det erforderliga förlustminimumet skall erhållas.

Genom de svenska patentansökningarna 9100978-7 och 9100979-5 är det förut känt att skarva ihop två optiska fibrer med varandra och att erhålla en låg förlust hos fiberskarven, genom att vid hopsmältningen uppta en bild av det ljus, som utsänds från de upphettade ändpartierna av de optiska fibrerna, och sedan med hjälp av automatisk bildanalys bestämma läget hos fiberkärnans mittaxel. Vid denna automatiska bildbehandling utnyttjas de ut- sända ljusintensiteterna, sett i en riktning vinkelrätt mot fi- berns längdaxel, från en linje som ligger vinkelrätt mot betrakt- ningsriktningen och alltså också mot fiberns längdaxel. Vid ana- lys av den erhållna ljusintensitetskurvan avlägsnas ur denna de delar, som motsvarar ett frekvensinnehåll över ett förutbestämt värde, så att endast frekvenser motsvarande ett lågpassband bibe- hålls. Härigenom kan alltså läget för fiberkärnornas mittaxel bestämmas noggrant i realtid och den tillförda uppvärmningsener- gin kan styras, så att en fiberskarv med minimal förlust erhålls. 502 374 REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN De närmare kännetecknen hos förfarandet och anordningen enligt uppfinningen framgår av de bifogade patentkraven. Således används vid förfarandet och i anordningen enligt uppfinningen värden på karakteristiska egenskaper hos de optiska fibrerna i områdena in- till fiberskarven och dessa egenskaper bestäms under loppet av hopsmältningen flera gånger och de bestämda värdena används för att styra tillförseln av energi, så att energitillförseln kan av- brytas efter en lämplig tidsperiod, vid vilken en minimal förlust hos fiberskarven kan förväntas föreligga.

Lämpliga optiska egenskaper innefattar den optiska transmissions- diametern (MFD) och fiberkärnans relativa brytningsindex i för- hållande till fiberns cladding.

Bestämningen av värdena på de erforderliga egenskaperna utförs med fördel ur den ljusintensitet, som den vardera optiska fibern utsänder från sitt ändparti under hopsmältningsförloppet och som registreras i en riktning vinkelrätt mot fiberns längdriktning. I den erhållna bilden utväljs för varje fiberände ett område, som ligger centralt omkring fiberns mittaxel intill skarvytan och väl inuti det uppvärmda området med en så homogen uppvärmning som möjligt. Ljusintensitetskurvor kan då erhållas både vinkelrätt mot fiberns längdriktning och parallellt med denna för det utval- da området. För en intensitetskurva tagen vinkelrätt mot fiberns längdriktning beräknas en ny kurva, som motsvarar intensitetskur- van men från vilken frekvensinnehållet över ett i förväg bestämt värde har avlägsnats. En lågpassfiltrering utförs alltså för att avlägsna olika sorters brus, som finns i den upptagna intensi- tetskurvan och till stor del härrör från den optiska och elekt- roniska apparaturen, såsom förstärkare och dylikt. Särskilt int- ressant i en sådan ljusintensitetskurva är den del, som motsvarar fiberns kärna.

Ljusintensiteten på de ställen av kurvan, som motsvarar fiberns kärna, är emellertid störd av ljusintensiteten från andra punkter i fibern, särskilt från punkter i fiberns cladding. En ljusinten- sitetskurva motsvarande endast punkter på fiberns cladding kan bestämmas genom att från den ursprungliga ljusintensitetskurvan 502 374 avlägsna ett frekvensinnehåll, som motsvarar frekvenser över ett andra förutbestämt värde. Detta andra förutbestämda värde måste vara avsevärt lägre än det första förutbestämda värdet, eftersom intensiteten härrörande från den centrala kärnan skall avlägsnas och denna ger upphov till en i allmänhet klart urskiljbar topp och denna topp kan betraktas som en tämligen stor störning av ljusintensitetskurvan.

Till sist bildas skillnaden mellan de på detta sätt härledda ljusintensitetskurvorna och det visar sig, att man då för vardera fiberänden erhåller en kurva, som här benämns varmfiberindexfunk- tion och som väl avbildar fiberns optiska egenskaper med en myc- ket väl urskiljbar och tydlig central topp och omkring denna topp anslutande tämligen plana partier av kurvan.

Maximat hos den centrala toppen ger direkt fiberkärnans mittaxels läge och vidare erhålls ett mått på fiberkärnans diameter genom att bestämma bredden hos denna centrala topp vid dess halva höjd, en halvvärdesbredd. Denna bestämda bredd hos fiberkärnan är pro- portionell mot fiberkärnans egentliga diameter och kan visa sig vara ganska nära denna, om hänsyn tas till den linseffekt, som vid registreringen av ljusintensiteten fås på grund av att ljus- strålarna passerar genom fibercladdingens cylindriska yta.

Det visar sig också överraskande nog att ur höjden hos den cent- rala toppen ett värde kan härledas på skillnaden mellan bryt- ningsindex hos fiberns kärna och cladding och att speciellt denna skillnad är proportionell mot kvadratroten ur denna höjd. Känne- domen om denna storhet, det relativa brytningsindexet, underlät- tar åstadkommandet av skarvar med låg förlust mellan två optiska fibrer av olika slag.

För att också utjämna inflytandet på den erhållna ljusintensi- tetskurvan av variationen längs fiberns längdriktning kan medel- värdet av några ljusintensitetskurvor tagna vinkelrätt mot fi- berns längdriktning användas, som motsvarar linjer liggande in- till varandra, eller också kan hela ljusintensitetsfunktionen be- roende av en koordinat i fiberns längdriktning och en koordinat vinkelrät mot denna användas vid bestämningen av de härledda 502 374 5 ljusintensitetskurvorna. I det senare fallet kan man sålunda ur ljusintensitetskurvorna avlägsna de frekvenskomponenter, som är beroende av koordinaten i en riktning parallell med fiberns längdriktning och som ligger över ett tredje förutbestämt värde och som motsvarar olika störningar, brus etc i apparatur och dy- likt. Detta tredje förutbestämda värde kan vara detsamma eller ungefär lika stort som de värden, som används vid beräkningen av de ovan nämnda båda härledda ljusintensitetskurvorna, mellan vil- ka skillnaden bildas för att bestämma varmfiberindexfunktionen.

Det finns också en möjlighet att ur storheterna bestämda ur varm- fiberindexprofilen direkt beräkna en förväntad förlust i skarven.

Förlusten kan då uppskattas direkt i realtid vid uppvärmningen av fiberändarna vid hopsmältningen och uppvärmningen avslutas så snart den beräknade förlusten underskrider ett förutbestämt vär- de.

För de ovan nämnda bestämningarna kan en konventionell skarv- ningsapparat för optiska fibrer med inbyggd automatisk positio- nering av fiberändar och med automatisk bildbehandling användas och endast det i bildbehandlingsdelen lagrade programmet behöver utbytas. Närmare detaljer hos en sådan fiberskarvningsanordning framgår av de ovan nämnda svenska patentansökningarna, som inför- livas som referens häri.

KORT FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall nu beskrivas såsom ett ej begränsande exempel med hänvisning till de bifogade ritningarna, i vilka - fig. 1 - 5 visar relativt brytningsindex för olika optiska fi- bertyper, - fig. 6 visar den optiska förlusten i en fiberskarv mellan EDF och DSF som funktion av tiden för två olika hopsmältningstempera- turer, - fig. 7 visar den synliga ljusintensiteten utsänd från dopad ki- seldioxid vid olika temperaturer, - fig. 8 visar en typisk ljusintensitetskurva i en riktning vin- kelrät mot fiberaxeln tillsammans med en antydd uppvärmningsan- ordning, - fig. 9 schematiskt visar en vid uppvärmning för fiberskarvning 5Û2 374 6 erhållen bild med antytt område använt vid beräkningarna, - fig. 10 visar en typisk ljusintensitetskurva och den kurva, som erhålls genom den första filtreringen av ljusintensitetskurvan, - fig. 11 - 15 visar de härledda ljusintensitetskurvorna och varmfiberindexprofilen för olika fibertyper, - fig. 16 visar ett diagram illustrerande sambandet mellan bryt- ningsindexskillnad och den centrala toppens höjd i varmfiberin- dexprofilen, - fig. 17 visar ett diagram över beräknad och uppmätt förlust i en skarv, - fig. 18 visar förloppet hos kvadratroten ur det centrala maxi- mats höjd på båda sidor om skarvytan, - fig. 19 schematiskt visar en konventionell fiberskarvningsappa- rat, där de olika beräkningsstegen finns angivna som block i en processorenhet.

BESKRIVNING AV FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM I figurerna 1 - 5 visas diagram över skillnaden mellan brytnings- index hos kärna och cladding, här benämnt relativt brytningsin- dex, för olika fibertyper, där brytningsindexskillnaden är avsatt mot avståndet från fiberns mittaxel. Brytningsindexskillnaden vi- sas alltså för en linje vinkelrät mot fiberns längdaxel. Avstån- det från fiberns mittaxel anges i mikrometer på den horisontella axeln, medan relativt brytningsindex är avsatt på den vertikala axeln.

I fig. 1 visas en kurva för typisk enkelmodsfiber (single mode fibre SMF), i fig. 2 för typisk dispersionsskiftfiber (dispersion shift fibers MDSF) erhållen med hjälp av modifierat kemiskt ång- utfällningsförfarande (modified chemical vapour deposition method MCVD), i fig. 3 för en typisk dispersionsskiftfiber (dispersion shift fibre ODSF) erhållen med hjälp av yttre kemiskt ångutfäll- ningsförfarande (outside chemical vapour deposition method OCVD), i fig. 4 för erbiumdopad fiber (ERF) och i fig. 5 för "cladding depressed" enkelmodsfiber (CDSMF). Ur dessa kurvor kan t ex kär- nans läge och diameter lätt observeras och tillsammans med ett absolut värde på brytningsindex hos fiberns cladding ger dessa kurvor viktiga informationer om fiberns optiska egenskaper, så att t ex fiberns optiska transmissionsdiameter (MFD) kan bestäm- 502 374 mas härur.

Vid den uppvärmning, som erfordras för hopsmältning av två optis- ka fibrer, förändras brytningsindexprofilerna intill fiberskarven och härigenom ändras också den optiska transmissionsdiametern gradvis i riktning mot skarvytan. En diffusion av dopämnen i kär- nan äger rum i riktning mot den lågdopade claddingen. vid en la- gom lång uppvärmning kan de optiska transmissionsdiametrarna fås att ungefärligen överensstämma, vilket ger en minimal och liten förlust i skarven. Detta åskådliggörs i fig. 6 för en fiberskarv mellan erbiumdopad fiber och dispersionsskiftfiber (DSF). Efter en alltför lång uppvärmning ökar skarvens förlust på grund av att övergången mellan det ej uppvärmda området och det vid skarvning- en uppvärmda område blir alltmer markerad.

Grundmaterialet i optiska fibrer är kiseldioxid eller kvarts och detta är mer eller mindre dopat med mindre mängder av andra ämnen och särskilt kärnan i en optisk fiber är dopad med en relativt hög koncentration av dopämne. I fig. 7 visas den ljusintensitet, som utsänds från kiseldioxid dopad med olika atomslag, i ett tem- peraturintervall mellan 1000 och 2000°C. Eftersom den utsända ljusintensiteten är olika stor för olika dopning, särskilt vid allt högre temperatur, blir det möjligt att urskilja t ex kärnan vid betraktande av en upphettad optisk fiber. En typisk ljusin- tensitetsprofil visas i diagrammet i fig. 8, där ljusintensiteten är avsatt i godtyckliga enheter längs den vertikala axeln mot av- ståndet från fiberns mittaxel längs den horisontella axeln. Såsom tidigare är alltså kurvan upptagen från punkter på en linje vin- kelrätt mot fiberns längdriktning. I den övre delen av diagrammet finns också schematiskt inritat själva fibern, vars centrala del, kärnan 1, med en diameter med av omkring 4 - 10 pm omges av en cladding 3 med betydligt större diameter, av storleksordningen 100 - 150 pm. I figuren visas också schematiskt spetsarna på elektroder 5, mellan vilka en ljusbåge bildas för uppvärmningen av fibern. Ljusbågen antyds av de streckade linjerna 7. Det är ljusintensitetskurvor av det i fig. 7 visade slaget, som skall användas för bestämning av de erforderliga egenskaperna hos den optiska fibern och vidare utnyttjas ett flertal sådana kurvor för olika värden på koordinaten i den optiska fiberns längdriktning, 502 374 som här benämns z-riktningen.

I den upptagna ljusintensitetskurvan är i dess mittdel en topp urskiljbar, som motsvarar den optiska fiberns kärna 1. Omkring denna finns på båda sidor partier med något lägre intensitet, som motsvarar fiberns cladding 3.

Vid bestämning av de ovan nämnda ljusintensitetskurvorna utnytt- jas lämpligen konventionell utrustning för att utföra skarvning av optiska fibrer. I denna används liksom antyds i fig. 8 en elektrisk ljusbåge alstrad mellan två elektroder och ljusbågen får värma upp ändarna hos de optiska fibrerna. I den centrala delen av ljusbågen blir de optiska fibrerna tämligen homogent uppvärmda, så att alltså partierna närmast fibrernas ändytor får en likformig temperatur.

En sådan fiberskarvningsutrustning visas schematiskt i fig. 19. I denna utrustning finns TV-kameror, t ex med CCD-element, som re- gistrerar ljusintensiteten från området omkring fiberskarven på en bildyta bestående av ett flertal diskreta bildupptagande ele- ment anordnade i ett rätvinkligt rasternät. Ljusintensiteten i dessa bildelementspunkter bearbetas sedan med hjälp av en proces- sor, som också i allmänhet finns anordnad i automatiska fiber- skarvningsanordningar, för att med hjälp av den erhållna bilden kunna utföra en noggrann positionering av de optiska fibrerna in- till varandra innan dessa sammanfogas.

Den med hjälp av en TV-kamera tagna bilden visas schematiskt i fig. 9. Invid fiberskarvens mitt finns i vardera fibern starkt lysande områden 9, som härrör från den uppvärmda fiberkärnan. Ett område med homogen temperatur såsom det med streckade linjer in- ramade området 11 i fig. 9 används vid den fortsatta bestämning- en. En ljusintensitetsunktion I(x,z) erhålls, som är en funktion av koordinaten x i en riktning vinkelrätt mot fiberns längdrikt- ning och gående i bildens plan och en z-koordinat, som går i fi- berns längdriktning och går i bildens plan, där båda koordinat- riktningarna är vinkelräta mot observationsriktningen.

Funktionen I(x,z) är definierad i ett antal diskreta punkter både 502 374 9 i x- och y-ledet, där dessa koordinatpunkters avstånd motsvarar avståndet mellan pixelpunkterna på den använda TV-kameran. Dessa avstånd kan för en typisk kamera vara 1 mikrometer i x-riktningen och 1,5 mm i z-riktningen. Funktionsvärdena är angivna i godtyck- liga enheter, som vanligen inställs av automatik i den använda kameran själv, så att en maximal upplösning erhålls i den upptag- na bilden.

Funktionen I(x,z) innehåller brus härrörande från den använda op- tiken och elektroniken och denna är synlig för en x-riktning i kurvan i fig. 8. För att vidare ur den på detta sätt bestämda ljusintensitetsfunktionen I(x,z) bestämma närmare data för ljus- intensiteten hos särskilt den optiska fiberns kärna elimineras först detta brus. Detta kan göras genom att ljusintensitetsfunk- tionen transformeras till en frekvensfördelning med hjälp av Fourier-transformering och att de härvid uppträdande frekvenserna tänks passera ett lågpassfilter, så att endast frekvenser under ett första förutbestämt värde tas med i fortsättningen.

Ett ekvivalent förfarande i det diskreta fallet och direkt i rum- met är att bilda en faltningssumma mellan ljusintensitetsfunktio- nen I(x,z) och någon bandpassfunktion, som har symmetriskt pass- band kring origo för koordinaterna x och z. En sådan funktion är en gaussisk funktion G(x,z,a,b), där konstanterna a, b anger bredden hos denna funktions centrala maximum kring origo i x- resp z-koordinatriktningen. Den gaussiska funktionen ges av 1 ...Ål _ 3.2 41hzæexp( 4a G(iljla-rb) Faltningssumman blir då n S(x,z) =_šä §: I(x+i,z+j)G(i,j,a,b) 1--m;--n Summorna måste i detta fall med nödvändighet vara begränsade med ändvärden m resp n för x- och z-riktningen, eftersom endast ett begränsat avsnitt av koordinatplanet x, z används. Vidare avtar ju den gaussiska funktionen G(x,z,a,b) mot noll mycket snabbt, när x,z antar absolut sett större värden, varför denna begräns- ning inte ger nâgra märkbara fel. Den använda enheten för x re- 502 374 10 spektive z koordinaterna är såsom nämnts avstånden mellan pixel- punkter i x-led respektive z-led, vilka såsom nämnts ovan kan vara 1 och 1,5 mikrometer. Typiska värden på konstanterna härvid för a är ungefär lika med 2,0, b ungefär lika med 1,0, m ungefär lika med 10 och n ungefär lika med 3.

I fig. 10 visas åter en typisk ljusintensitetsprofil tagen i en x-riktning, visad med en streckad linje, och med heldragen linje visas den filtrerade funktionen S(x,z), som fås efter den ovan visade beräkningen.

Härnäst bestäms den del av ljusintensitetsfunktionen, som härrör huvudsakligen från fiberns cladding. Detta sker med hjälp av en bestämning på samma sätt som angivits ovan, men konstanterna i den gaussiska funktionen G väljs, så att även stora störningar i ljusintensitetskurvan avlägsnas. Den topp hos ljusintensitets- funktionen, som motsvarar fiberns kärna, kan ju betraktas som en sådan störning i x-led. En funktion C(x,z) erhålls enligt M N C(x,z) = Ä: 2: I(x+i,z+j)G(i,j,a,b) 1--u j--u där konstanterna väljs, så att den konstant A hos den gaussiska funktionen G, som bestämmer det centrala maximats bredd i x-led, är mycket större än det tidigare, vid beräkning av S(x,z) använda värdet a, summeringens ändvärde M för x-koordinaten är mycket större än det tidigare använda värdet m och konstanterna N och B för z-riktningen är av samma storleksordning som de tidigare an- vända n respektive b. Detta motsvarar en filtrering i frekvensom- rådet med ett mycket smalt bandpassfilter kring origo i x-led, dvs endast frekvenser under ett andra förutbestämt värde medtas, när detta andra förutbestämda värde är mycket mindre än det förs- ta förutbestämda värdet. Lämpliga val för beräkningen av C(x,z) kan vara t ex A större än eller lika med 2a och M större än eller lika med 2m. Motsvarande kurva visas för en x-riktning i fig. 10 med den streckade linjen, där den heldragna linjen visar den ti- digare härledda utjämnade kurvan S(x,z).

För att vidare, såsom är målet för denna bestämning, erhålla en ljusintensitetsprofil, från vilken utseendet hos den centrala 502 574 ll toppen motsvarande fiberns kärna blir tydligt, subtraheras den härledda funktionen C(x,z), som motsvarar ljusintensiteten hos fiberns cladding, från den utjämnade störningsbefriade första härledda funktionen S(x,z), så att en ny funktion D(x,z) bildas, dvs D(x|z) = S(xlz) _ C(x|z) Denna skillnadsfunktion D(x,z) visas för en x-riktning med den streckprickade linjen i fig. 11 och benämns här varmfiberindex- profilen. Ur denna kan erforderliga egenskaper härledas.

De i fig. 11 givna kurvorna är för en enkelmodsfiber. I fig. 12 - 15 visas motsvarande kurvor för fiber av typen MDSF, ODSF, ERF respektive CDSMF.

Läget för fiberkärnans centrala axel ges för en viss z-koordinat av läget hos maximat i den motsvarande varmfiberindexprofilen D(x,z).

Fiberkärnans diameter 2rc är ungefär direkt proportionell mot den centrala toppens halvvärdesbredd, se fig. 10, där alltså halvvär- desbredden d är bredden av den centrala toppen längs en linje vinkelrätt mot z-axeln vid halva höjden h/2, där vidare h är den centrala toppens höjd över de angränsande mer eller mindre plana delarna av kurvan, jämför fig. 11. Många gånger gäller alltså approximativt ZIC = ungefär lika med d/1 eller allmänt Zrc = czd/l där c2 är en konstant i närheten av 1, där rc är kärnans radie och där l är en konstant härrörande från linseffekten i fiberns clad- ding och kan sättas till l = 1,5. 502 374 12 Det visar sig också att det approximativt gäller att skillnaden no - nl mellan brytningsindex no hos fiberns kärna och brytnings- index nl hos fiberns cladding är approximativt proportionell mot kvadratroten ur den centrala toppens höjd h, taget längs en x- riktning, dvs nu -xy_appIoximativt = cl/JH Detta senare anmärkningsvärda resultat visas för fyra olika fi- bertyper i diagrammet i fig. 16. Man ser att de här erhållna mät- resultaten approximativt ligger på en rät linje.

Ur de bestämda optiska parametrarna för de betraktade området kan den optiska transmissionsdiametern w uppskattas med hjälp av for- meln czd/21 ,/1n< nlkfg/“fifl-cl nl/l där k är ljusets vågtal.

W Med kännedom om brytningsindex i ett område, i vilket brytnings- index ändras och vilket ligger mellan z-koordinaterna 0 och L, kan förlusten i detta område teoretiskt beräknas med hjälp av I . I _ 2 [fJo (J°sï)e (r/w) rdr] 2 L Pi = íclíf | i WW; i Jims) där i(z) är ändringen av brytningsindex inom området, så att om- rådets brytningsindex n(r,z) som funktion av avståndet r till fi- berkärnans mittaxel ges av n(r,z) = n0(r,z)+i(z)u(a - I) där no(r,z) är brytningsindex före ändringen, där a är fiberkärnans radie eller radien för det område som på- verkas av ändringen, u(x) är en enhetsstegfunktion med värdet O för x < 0 och med vär- det 1 annars, där k är ljusets vågtal, 502 374 13 där C är en konstant C = 1°log e = 4,34, där w är den optiska transmissionsdiametern (MFD) där b är radien hos fiberns cladding, där Jo och J1 är Bessel-funktioner, där jos är det s:te nollstället hos Jo.

I fig. 17 visas uppmätta och med hjälp av formeln ovan beräknade kurvor för den optiska förlusten i en fiberskarv och för två oli- ka värden på den elektriska ström, som passerar genom ljusbågen 7 vid uppvärmningen av fibrernas ändar, som funktion av uppvärm- ningens tidslängd. Vid beräkningen har använts de parametrar för fibrernas uppvärmda ändpartier, som har härletts ur varmfiberin- dexfunktionen. En god överensstämmelse mellan uppmätta och beräk- nade förluster erhålls.

Emellertid är beräkningen av den ovan visade formeln besvärlig och tidsödande och det kan vara svårt att hinna med beräkningen i realtid för en enklare processor. Andra kriterier har därför ef- tersökts för att snabbt kunna avbryta uppvärmningen när den för- lusten i fiberskarven kan förväntas bli så liten som möjligt. En möjlighet är att använda den optiska transmissionsdiametern (MFD) hos fibrernas uppvärmda ändpartier. Även den optiska transmissionsdiametern (MFD) kräver tidsödande beräkningar. Denna är, som framgår av formeln ovan, beroende av fiberkärnans diameter och relativa brytningsindex, såsom också lätt inses. Det visar sig vid ett närmare studium, att vid upp- värmningen ändras det relativa brytningsindexet no - nl, för vil- ket ett mått ges av'Vh enligt ovan, mycket snabbare än kärnans diameter 2rc. Därför räcker det i många fall att beräkna Vh för vardera fiberns ändparti och jämföra dessa värden med varandra.

När avvikelsen mellan dessa, dvs absolutvärdet av skillnaden, blir mindre än ett förutbestämt tröskelvärde, avbryts uppvärm- ningen. Vid försök visade det sig att fiberskarvar med optiska förluster i storleksordningen 0,05 till 0,07 dB kunde erhållas på detta sätt.

I fig. 18 visas ett diagram som åskådliggör förloppet hos stor- heten'Vh i en fiberskarv vid fyra olika tidpunkter. 502 374 14 I fig. 19 visas schematiskt en anordning för att utföra bestäm- ningarna enligt ovan. Denna innefattar en konventionell fiber- skarvningsapparat försedd med ett lämpligt styr- och bildbehand- lings- och beräkningsprogram.

De båda optiska fibrerna 2 är placerade och fasthålls av hållare 12, när de smälts samman av en ljusbåge bildad mellan elektroder 5. Hållarnas 12 läge ändras med hjälp av motorer 13. Fiberskarven iakttas av minst en och i normalfallet två, i vinkelrät riktning i förhållande till varandra anordnade videokameror 15. Skarv- ningsapparaten innehåller också elektronikkretsar i en styrenhet 17. Denna innefattar drivkretsar 19 och 21 för hållarnas motorer 13 och för att förse elektroderna 5 med lämplig strömstyrka och spänning vid uppvärmningen av fibrernas 2 ändpartier.

Signalen från videokamerorna 15 leds via ett videointerface 25 i styrenheten 17 till en enhet 23 för bildbehandling och bildana- lys, vilken utgör den ena större logikdelen i styrenheten 17.

Denna innefattar också processorlogik 41, som bl a styr hållarnas 12 förflyttning och alstrandet av ljusbågen mellan elektroderna 5. Processorlogiken 41 är också via ett videointerface 43 anslu- ten till en bildskärm 41, där meddelanden till en operatör, vär- den på olika under en fiberskarvning beräknade värden, etc. kan visas.

Bildbehandlings- och bildanalysdelen 23 innefattar förutom bl a den bildbehandling, som krävs för att placera de båda fibrernas ändar i korrekt läge intill och centrade i förhållande till var- andra före hopsmältningen, de logiska blocken för utförande av de tidigare beskrivna beräkningarna. I ett block 29 bestäms sålunda lämpliga områden 11, vilkas ljusintensitetsvärden skall användas i fortsättningen. Sedan utförs i blocken 31 och 33 beräkningen av de första resp andra ur ljusintensitetsvärdena härledda funktio- nerna och skillnaden av dessa bildas i blocket 35 för framställ- ningen av varmfiberindexfunktionerna. Ur dessa beräknade funktio- ner beräknas i blocket 37 det centrala maxímats höjd h och kvad- ratroten ur denna bestäms. De båda på detta sätt beräknade värde- na för fibrernas ändpartier jämförs sedan i blocket 39, från vil- ket sänds en signal till processorlogiken 41, när avvikelsen mel- 502 374 15 lan dessa värden underskrider ett förutbestämt tröskelvärde. Vid møttagande av signalen stoppar processorlogiken 41 all vidare strömtillförsel till elektrcderna 5 och fibrernas 2 ändpartier får svalna, och till sist borttas de hopskarvade fibrerna från hållarna 2.

Claims (32)

502 374 16 PATENTKRAV

1. Förfarande för att skarva en optisk fiber av en typ med en optisk fiber av en annan typ, vilka har olika stor optisk trans- missionsdiameter (MFD), varvid - fibrernas ändar inriktas med varandra och ändytorna placeras intill varandra och - fibrernas partier invid de mot varandra anliggande ändytorna uppvärms, så att de smälter ihop, k ä n n e t e c k n a t av - att under uppvärmningen bestäms upprepat värdet på minst en optisk egenskap, av vilken den optiska förlusten i fiberskarven beror, för fibrernas områden intill skarven, och - att uppvärmningen fortsätts, tills de bestämda värdena på den optiska egenskapen för områdena intill skarven har en avvikelse från varandra, som underskrider ett förutbestämt tröskelvärde.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att den optiska egenskapen är den optiska transmissionsdiametern (MFD) för fibrernas områden intill skarven.

3. Förfarande enligt ett av krav 1 - 2, k ä n n e t e c k n a t av att intensiteten hos ljusstrålningen från fibrernas uppvärmda partier registreras under uppvärmningen och att den optiska egen- skapen bestäms ur den registrerade ljusintensiteten.

4. Förfarande enligt ett krav 1 - 2, k ä n n e t e c k n a t av - att för vardera fiberns ändparti bestäms intensiteten hos det ljus, som utsänds under uppvärmningen från alla punkter längs en linje nära fiberskarven i huvudsak vinkelrät mot fiberns längd- riktning sett i en vald observationsriktning, - att för de bestämda ljusintensitetsvärdena för vardera fiberns ändparti bestäms en varmfiberindexfunktion som skillnaden mellan - - en första funktion erhållen genom att från de bestämda inten- sitetsvärdena betraktade som en funktion av läget i tvärriktning- en i förhållande till fiberns längdaxel avlägsna den del, som motsvarar frekvenser över ett första förutbestämt värde, och - - en andra funktion erhållen på samma sätt som den första funk- tionen men med den del avlägsnad, som motsvarar frekvenser över ett andra förutbestämt värde, som är avsevärt mindre än det förs- 502 374 17 ta förutbestämda värdet, - varefter den optiska egenskapen bestäms ur den erhållna varmfi- berindexfunktionen.

5. Förfarande enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att den optiska egenskapen är den optiska transmissionsdiametern (MFD) och att denna bestäms för vardera fiberns uppvärmda ändparti ur den erhållna varmfiberindexfunktionen.

6. Förfarande enligt ett av krav 1 - 5, k ä n n e t e c k n a t av - att för vardera fiberns uppvärmda ändparti bestäms ljusintensi- tetsvärdena för en rektangulär yta med beroende både av en koor- dinat (x) i tvärriktningen och en koordinat (z) i längdriktningen för den optiska fibern och - att för att för vardera fibern bestämma de ljusintensitetsvär- den, som används för att härleda den första och andra funktionen, bildas ett medelvärde för flera intill varandra liggande linjer i tvärriktningen i förhållande till fiberns längdaxel.

7. Förfarande enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t av att me- delvärdet är ett viktat medelvärde med störst vikt för den tvär- linje, som ligger i mitten av de valda linjerna.

8. Förfarande enligt ett av krav 1 - 5, k ä n n e t e c k n a t av - att för vardera fiberns uppvärmda ändparti bestäms ljusintensi- tetsvärdena för en rektangulär yta med beroende både av en koor- dinat (x) i tvärriktningen och en koordinat (z) i längdriktningen för den optiska fibern och - att för att för vardera fibern bestämma de ljusintensitetsvär- den, som används för att härleda den första och andra funktionen och bara beror av koordinaten i tvärriktningen, avlägsnas från de bestämda ljusintensitetsvärden de frekvenskomponenter, beroende av variationen i fiberns längdriktning, som motsvarar frekvenser över ett tredje förutbestämt värde.

9. Förfarande enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a t av - att för vardera fiberns uppvärmda ändparti bestäms ljusintensi- 502 374 18 tetsvärdena i diskreta punkter för den rektangulära ytan som en funktion I(i,j), där i, j är koordinater i några längdenheter längs fiberns tvärriktning resp längdriktning, - att för vardera fibern erhålls den första funktionen ur S(x,z) = šï Éä I(x+i,z+j)G(i,j,a,b) 1--mj--n där - - G(i,j,a,b) är en lämplig positivt definit funktion med ett enda starkt markerat maximum vid i = j = 0 och - - de positiva konstanterna a, b anger detta maximums bredd i den första resp den andra koordinatriktningen, och - - m, n är lämpliga summeringsändvärden, så att de i summorna medtagna funktionsvärdena finns inom den rektangulära ytan och funktionen G för ej medtagna punkter har ett försumbart värde, - att för vardera fibern erhålls den andra funktionen ur M N C(x,z) = E: §: I(x+i,z+j)G(i,j,a,b) i-“M j-'N där konstanten A är mycket större än a, såsom A 2 2a, summerings- ändvärdet M är mycket större än m, såsom M 3 2m, medan n ß N, b ß BI

10. Förfarande enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a t av att den positivt definita funktionen G är en gaussisk funktion G = -i-exm-J- - i»

11. Förfarande enligt ett av krav 4 - 10, k ä n n e t e c k n a t av att den optiska egenskapen är kvadratroten ur höjden hos den centrala toppen hos varmfiberindexfunktionen över de till denna topp anslutande väsentligen horisontella partierna.

12. Anordning för att skarva en optisk fiber av en typ med en optisk fiber av en annan typ, vilka har olika stor optisk trans- missionsdiameter (MFD), innefattande - organ för inrikta fibrernas ändar med varandra och för att pla- cera ändytorna intill varandra och 502 374 19 - organ för att uppvärma fibrernas partier invid de mot varandra anliggande ändytorna, så att de smälter ihop, k ä n n e t e c k n a d av - organ för att under uppvärmningen upprepat bestämma för fibrer- nas områden intill skarven värdet på minst en optisk egenskap, av vilken den optiska förlusten i fiberskarven beror, - organ för att jämföra bestämda värdena på den optiska egen- skapen för områdena intill skarven och avge en signal till upp- värmningsorganen, när värdena har en avvikelse från varandra, som underskrider ett förutbestämt tröskelvärde, - varvid uppvärmningsorganen är anordnade att vid mottagandet av signalen omedelbart avsluta uppvärmningen.

13. Anordning enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a d av att or- ganen för att bestämma den optiska egenskapen är innefattar organ för att bestämma den optiska transmissionsdiametern (MFD) för fibrernas områden intill skarven.

14. Anordning enligt ett av krav 12 - 13, k ä n n e t e c k n a d av - organ för att registrera intensiteten hos ljusstrålningen från fibrernas uppvärmda partier under uppvärmningen och - att organen för att bestämma den optiska egenskapen är anordna- de att bestämma denna ur den registrerade ljusintensiteten.

15. Anordning enligt krav 14, k ä n n e t e c k n a d av - att organen för att registrera ljusintensiteten är anordnade att för vardera fiberns ändparti bestämma intensiteten hos det ljus, som utsänds under uppvärmningen från alla punkter längs en linje nära fiberskarven i huvudsak vinkelrät mot fiberns längd- riktning sett i en vald observationsriktning, - att organen för att bestämma den optiska egenskapen är anordna- de att för de bestämda ljusintensitetsvärdena för vardera fiberns ändparti bestämma en varmfiberindexfunktion som skillnaden mellan - - en första funktion erhållen genom att från de bestämda inten- sitetsvärdena betraktade som en funktion av läget i tvärriktning- en i förhållande till fiberns längdaxel avlägsna den del, som motsvarar frekvenser över ett första förutbestämt värde, och - - en andra funktion erhållen på samma sätt som den första funk- 502 374 20 tionen men med den del avlägsnad, som motsvarar frekvenser över ett andra förutbestämt värde, vilket är avsevärt mindre än det första förutbestämda värdet, och - att organen för att bestämma den optiska egenskapen vidare är anordnade att bestämma denna ur den erhållna varmfiberindexfunk- tionen.

16. Anordning enligt krav 15, k ä n n e t e c k n a d av att organen för bestämma den optiska egenskapen är anordnade att be- stämma den optiska transmissionsdiametern (MFD) för vardera fi- berns uppvärmda ändparti ur de erhållna varmfiberindexfunktioner- nä.

17. Anordning enligt ett av krav 14 - 16, k ä n n e t e c k n a d av - att organen för att registrera ljusintensiteten för vardera fi- berns uppvärmda ändparti är anordnade att bestämma ljusintensi- tetsvärdena för flera intill varandra liggande linjer i tvärrikt- ningen i förhållande till fiberns längdaxel, - att organen för att bestämma de optiska egenskapen innefattar organ för att bilda ett medelvärde för flera sådana intill var- andra liggande linjer och att använda medelvärdet vid erhållande av den första och andra funktionen i stället för att direkt an- vända ljusintensitetsvärdena.

18. Anordning enligt krav 17, k ä n n e t e c k n a d av att organen för att bilda medelvärdet är anordnade att bilda ett vik- tat medelvärde med störst vikt för den tvärlinje, som ligger i mitten av de valda linjerna.

19. Anordning enligt ett av krav 12 - 16, k ä n n e t e c k n a d av - att organen för att bestämma för vardera fiberns uppvärmda änd- parti ljusintensitetsvärdena är anordnade att bestämma dessa för en rektangulär yta med beroende både av en koordinat (x) i tvär- riktningen och en koordinat (z) i längdriktningen för den optiska fibern och - att organen för att bestämma den optiska egenskapen är anordna- de att från de bestämda ljusintensitetsvärden avlägsna de frek- 502 374 21 venskomponenter, beroende av variationen i fiberns längdriktning, som motsvarar frekvenser över ett tredje förutbestämt värde, och att använda dessa härledda ljusintensitetsvärden i stället för de direkta ljusintensitetsvärdena vid erhållande av den första och andra funktionen.

20. Anordning enligt krav 19, k ä n n e t e c k n a d av att - att organen för att för vardera fiberns uppvärmda ändparti be- stämma ljusintensitetsvärdena är anordnade att bestämma dessa i diskreta punkter för den rektangulära ytan som en funktion I(i,j), där i, j är koordinater i några längdenheter längs fi- berns tvärriktning resp längdriktning, - att organen för att bestämma den optiska egenskapen är anordna- de att för vardera fibern erhålla den första funktionen ur I!! h S(x,z) = 2: E: I(x+i,z+j)G(i,j,a,b) i--m j--n där - - G(i,j,a,b) är en lämplig positivt definit funktion med ett enda starkt markerat maximum vid i = j = 0 och - - de positiva konstanterna a, b anger detta maximums bredd i den första resp den andra koordinatriktningen, och - - m, n är lämpliga summeringsändvärden, så att de i summorna medtagna funktionsvärdena finns inom den rektangulära ytan och funktionen G för ej medtagna punkter har ett försumbart värde, och - att för vardera fibern erhålla den andra funktionen ur M N C(x,z) = 2: 2: I(x+i.z+j)G(i.j,a,b) 1--M j--N där konstanten A är mycket större än a, såsom A 3 2a, summerings- ändvärdet M är mycket större än m, såsom M 2 2m, medan n w N, b 2 BO

21. Anordning enligt krav 20, k ä n n e t e c k n a d av att organen för att bestämma den optiska egenskapen är anordnade att som den positivt definita funktion G använda en gaussisk funktion l i2_j2 eXp(-- --). G(lrjrarb) = 41H/aï 4a 4b 502 374 22

22. Anordning enligt ett av krav 15 - 21, k ä n n e t e c k n a d av att organen för att bestämma den optiska egenskapen är anord- nade att som den optiska egenskapen bestämma kvadratroten ur höj- den hos den centrala toppen hos varmfiberindexfunktionen över de till denna topp anslutande väsentligen horisontella partierna.

23. Förfarande för att skarva en optisk fiber av en typ med en optisk fiber av en annan typ, vilka har olika stor optisk trans- missionsdiameter (MFD), varvid - fibrernas ändar inriktas med varandra och ändytorna placeras intill varandra, och - fibrernas partier invid de mot varandra anliggande ändytorna uppvärms, så att de smälter ihop, - för vardera fibern bestäms intensiteten hos åtminstone det ljus, som utsänds från de uppvärmda partierna inom området när- mast fiberskarven, sett i en vald observationsriktning, k ä n n e t e c k n a t av - att under uppvärmningen bestäms upprepat ur de bestämda ljusin- tensiteterna ett värde på den optiska förlusten i fiberskarven och - att uppvärmningen fortsätts, tills det bestämda värdet på den optiska förlusten i skarven underskrider ett förutbestämt trös- kelvärde, och därefter avbryts.

24. Förfarande enligt krav 23, k ä n n e t e c k n a t av - att för de bestämda ljusintensitetsvärdena för vardera fiberns ändparti bestäms en varmfiberindexfunktion som skillnaden mellan - - en första funktion erhållen genom att från de bestämda inten- sitetsvärdena betraktade som en funktion av läget i tvärriktning- en i förhållande till fiberns längdaxel avlägsna den del, som motsvarar frekvenser över ett första förutbestämt värde, och be- traktade som en funktion av läget längs fiberns axel avlägsna den del, som motsvarar frekvenser över ett tredje förutbestämt värde, - - en andra funktion erhållen på samma sätt som den första funk- tionen men med i stället för det första förutbestämda värdet ett andra förutbestämt värde, som är avsevärt mindre än det första förutbestämda värdet, - varefter den optiska förlusten bestäms ur de erhållna varmfi- 502 574 23 berindexfunktionerna.

25. Förfarande enligt krav 24, k ä n n e t e c k n a t av att den optiska förlusten bestäms ur det centrala maximats höjd och bredd hos varmfiberindexfunktionen.

26. Förfarande enligt ett av krav 24 - 25, k ä n n e t e c k - n a t av - att för vardera fiberns uppvärmda ändparti inom ett område in- till fiberskarven bestäms ljusintensitetsvärdena i diskreta punk- ter för den rektangulära ytan som en funktion I(i,j), där i, j är koordinater i några längdenheter längs fiberns tvärriktning resp längdriktning, - att för vardera fibern erhålls den första funktionen ur I!! Il S(x,z) = 2: 2: I(x+i,z+j)G(i,j,a,b) i--m J--n där - - G(i,j,a,b) är en lämplig positivt definit funktion med ett enda starkt markerat maximum vid i = j = 0 och - - de positiva konstanterna a, b anger detta maximums bredd i den första resp den andra koordinatriktningen, och - - m, n är lämpliga summeringsändvärden, så att de i summorna medtagna funktionsvärdena finns inom den rektangulära ytan och funktionen G för ej medtagna punkter har ett försumbart värde, och - att för vardera fibern erhålls den andra funktionen ur M N C(x,z) = Ä: 2: I(x+i,z+j)G(i,j,a,b) 1--M j--N där konstanten A är mycket större än a, såsom A 2 2a, summerings- ändvärdet M är mycket större än m, såsom M 2 2m, medan n 2 N, b z BO

27. Förfarande enligt krav 26, k ä n n e t e c k n a t av att den positivt definita funktion G är en gaussisk funktion l i2 j2 SKIN-_ - -). G(i,j,a,b) = 502 374 24

28. Anordning för att skarva en optisk fiber av en typ med en op- tisk fiber av en annan typ, vilka har olika stor optisk transmis- sionsdiameter (MFD), innefattande - organ för inrikta fibrernas ändar med varandra och för att pla- cera ändytorna intill varandra, och - organ för att uppvärma fibrernas partier invid de mot varandra anliggande ändytorna, så att de smälter ihop, - organ för att för vardera fibern registrera intensiteten hos åtminstone det ljus, som utsänds från de uppvärmda partierna inom områden intill fiberskarven, sett i en vald observationsriktning, k ä n n e t e c k n a d av - organ för att under uppvärmningen upprepat ur de registrerade ljusintensiteterna bestämma ett värde på den optiska förlusten i fiberskarven, - organ för att jämföra värdet på den optiska förlusten med ett tröskelvärde och för att ge en signal, när detta tröskelvärde underskrids, - varvid uppvärmningsorgan är anordnade att omedelbart avbryta uppvärmningen vid mottagande av signalen.

29. Anordning enligt krav 28, k ä n n e t e c k n a d av - att organen för att bestämma den optiska förlusten innefattar organ för att ur de registrerade ljusintensitetsvärdena för var- dera fiberns ändparti bestämma en varmfiberindexfunktion som skillnaden mellan - - en första funktion erhållen genom att från de bestämda inten- sitetsvärdena betraktade som en funktion av läget i tvärriktning- en i förhållande till fiberns längdaxel avlägsna den del, som motsvarar frekvenser över ett första förutbestämt värde, och be- traktade som en funktion av läget längs fiberns axel avlägsna den del, som motsvarar frekvenser över ett tredje förutbestämt värde, - - en andra funktion erhållen på samma sätt som den första funk- tionen men med i stället för det första förutbestämda värdet ett andra förutbestämt värde, som är avsevärt mindre än det första förutbestämda värdet, och - att organen för att bestämma den optiska förlusten är anordnade att bestämma denna ur de erhållna varmfiberindexfunktionerna.

30. Anordning enligt krav 29, k ä n n e t e c k n a d av att 502 374 25 organen för att bestämma den optiska förlusten är anordnade att bestämma denna ur det centrala maximats höjd och bredd hos varm- fiberindexfunktionen.

31. Anordning enligt ett av krav 29 - 30, k ä n n e t e c k n a d av - att organen för att registrera ljusintensiteten är anordnade att utföra detta för vardera fiberns uppvärmda ändparti inom ett område intill fiberskarven i diskreta punkter som en funktion I(i,j), där i, j är koordinater i några längdenheter längs fi- berns tvärriktning resp längdriktning, - att organen för att bestämma varmfiberindexfunktionen är anord- nade att för vardera fibern erhålls den första funktionen ur m n S(x,z) = 2: 2: I(x+i,z+j)G(i,j,a,b) ihmjhn där - - G(i,j,a,b) är en lämplig positivt definit funktion med ett enda starkt markerat maximum vid i = j = 0 och - - de positiva konstanterna a, b anger detta maximums bredd i den första resp den andra koordinatriktningen, och - - m, n är lämpliga summeringsändvärden, så att de i summorna medtagna funktionsvärdena finns inom den rektangulära ytan och funktionen G för ej medtagna punkter har ett försumbart värde, och - att för vardera fibern erhålla den andra funktionen ur M N C(X.Z) = 2 2 I(X+i.z+j)G(i.j,a.b) 1--u 1--N där konstanten A är mycket större än a, såsom A 3 2a, summerings- ändvärdet M är mycket större än m, såsom M 3 2m, medan n ß N, b ß B.

32. Anordning enligt krav 31, k ä n n e t e c k n a d av att den positivt definita funktion G är en gaussisk funktion l i2_j2 (_: ï)v Qnßßexp 43. G(i.j.a,b) =