SE514476C2 - Förfarande för att estimera förlust i en skarv utförd mellan två optiska fibrer - Google Patents

Description

514 476 ' 2 axes by using electrostatic force”, Optics Letters, vol. 18, nr 11, sid. 864 - 866, juni, 1993, och M. Kubota, K. Yoshida, M. Mikawa, och T. Morimitsu, “Fusion mass-splices for optical fibers using micro mass axis alignment device”, International Wire & Cable Symposium Proceedings, sid. 214 - 220, nov. 1996. Sålunda åstadkoms i det flesta smâltskarvningsapparater ñr multipel- fibrer den tvärgående inriktningen av de enskilda fibrema endast passivt genom att fibrerna pla- ceras i fasta V-spår. Smutsiga V-spâr, kvarlämnade partiklar på den nakna ytan hos fibrema från vilka beläggningarna har avlägsnats, krokiga fibrer, stor excennicitet hos kärnan i en fiber i fór- hållande till dess omgivande mantel, ej perfekta avskärningsvinklar, olämpligt överlappningsav- stånd, etc., leder alla till stora deformationer av kärnorna när ytspänningen hos det smälta glaset i fibrerna drar fibrema till inriktning av deras yttre cylindriska ytor under hopsmâltningsiörfaran- det. Följaktligen är en bestämning av kvaliteten hos varje enskild skarv i ett fiberband betydelse- » full och nödvändig.

Under många år har man sökt efter ett lämplig förfarande ñr att besámma de enskilda skarvarna i skarvar utförda mellan fiberband för att kunna ersätta den tidsödande och kostsamma mät- ningen från de bortre, andra ändarna av de optiska fibrerna Bland dessa ansträngningar har elektroniska avbildningssystem och digitala bildbehandlingsmetoder använts i stor utsträckning.

Exempelvis har ett förfarande, som utnyttjar en bild iakttagen fiån en sida (”enbild”), utvecklats och utförts i en skarvapparat för fiberband, se M. Miyauchi, M. Tachikura, T. Katagiri, M. Sato, A. Ide, T. Haibara och M. Matsumoto, “Fully automatic and high-speed splicing machine for op- tical fiber ribbon”, The Transactions of the IEICE, vol. E72, nr 9, sid. 970 - 978, sept. 1989.

Mätnoggrannheten för förskjutningen mellan fibermantlarna är ca 1,3 um med detta enbildsför- farande, se A. Ide och M. Tachikura, “Fiber misalignment measurement method using one- directionally observed image”, Electronics and Communications in Japan, del 2, vol. 72, nr 3, sid. 81 - 90, 1989. För att öka noggrannheten har system med observation i två vyer med en CCD-kamera utvecklats för att utvärdera bilder av fiberband i två vinkelräta vyer, se H. Wata- nabe, Y. Toimoto, och K. Oda, “Fiber fusion splicer for 12-fiber ribbon”, Proceedings of the SPIE, vol. 1817, Optical communications, sid. 23 - 29, 1992. Mämingens noggrannhet vad be- träffar iörskjutningen mellan fibermantlaina rapporterades vara 0,3 um, se T. Onodera, H. Taya, T. Yamada, och M. Yoshinuma, “Development of single-mode four-fiber ribbon splicer with ac- curate splice loss estimation”, Optics Letters, vol. 15, nr 23, sid. 1406 - 1408, 1990, vilket à en storleksordning bättre än förfarandet med observation i en enda vy. För att kunna se den verkliga deformationen av kärnoma i stället för att endast observera ñrskjumingen mellan mantlarna har dubbla CCD-avbildningssystem med optisk förstoring utvecklats, se den ovan anförda artikeln < « < < x t 5 1 4 4 7 6 3 _ tör M. Kubota, K. Yoshida, M. Mikawa, och T. Morimitsu, “Fusion mass-splices for optical i fibers using micro mass axis alignment device”, International Wire & Cable Symposium Pro- ceedings, sid. 214 - 220, nov. 1996, och K. Yoshida, M. Kubota, och M. Mikawa, “Mass fusion splicer using micro alignment mechanism”, NTT Review, vol. 9, nr 3, sid. 117 - 119, maj 1997: Med stor förstoring är kärnorna i skarvområdet och sålunda deformationen av dessa synliga och skarvförlusten kan beräknas beroende av formen hos kärnornas deformation, se T. Sano, T. Wa- tanabe, och K. Osaka, “Analysis of mass fiision splice loss”, Intemazional Wire & Wire Sympo- sium Proceedings, sid.i2l4 - 220, nov. 1996. Vid detta ñrfarande kan dock endast en fiber i en vy ses vid varje tillfälle. För ett fiberband med 12 fiber måste det optiska systemet ñrflyttas och återfokuseras minst 24 gånger för att :fullborda estimeringen av ñrlusten.

Ett enkelt ñrfarande ñr att utvärdera fiberskarvar utgörs av ñrfarandet med varmfiberbildbe- handling, som inte erfordrar några ytterligare kretsar utöver dem, som finns i iörefintliga auto- matiska fiberskarvningsapparater utan endast ändrade bildbehandlingsprogram. Det har i flera år använts för att utvärdera skarvar mellan enkelfibrer. Den diskuteras i de anförda artiklarna fór W.

Zheng, W. Zheng et al. och även i W. Zheng, “Loss estimation for fusion splices of single-mode fibers.”, Proceedings of International SPLE'91 Conference, i Boston, vol. 1580, sid. 380 - 390, sept. 1991.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNILNGEN Det är ett ändamål med uppfinningen att anvisa ett förfarande och en anordning för att estimera förlust i skarvar utförda mellan optiska fibrer, särskilt mellan optiska fibrer i fiberband, med an- vändning endast av' bilder, som visar konturen hos skarvar etter skarvningssteget.

Det är ytterligare ett med uppfinningen att anvisa ett törfarande och en anordning ñr att estimera förlust i skarvar utförda mellan optiska fibrer i fiberband, vid vilka en förflyttning av det optiska systemet inte är nödvändig tör estimering av förlusten.

Sålunda utförs en estimering genom att endast ta "kalla" bilder av skarvningsområdet direkt före och direkt efier det att skarven utförs. I de kalla bilderna utsänder fibrema inte något ljus bero- ende på uppvärmning och i dessa bilder kan väsentligen endast de optiska fibrernas yttre sidor iakttagas, närmare besfimt de yttre sidorna av fibrernas mantlar. Sålunda tas särskilt en-bild av ett område av de optiska fibrerna invid de ändytor av fibrerna, som skall förenas med varandra, varvid denna bild tas direkt före skarvning, när de optiska fibrerna är placerade vid varandra och 514 476 4 har sina ândytor i beröring med varandra. Sedan tas också en bild efter skarvningen. De båda tagna bilderna analyseras för att bestämma typen av deformation hos fiberändama eller hos fib- rernas kärnor och för att besfimma, givet av ytterlinjerna eller konturerna i bildema, en karaktä- ristisk ñrskjuming förknippad med den typ av deformation, som först har bestämts. Den be- stämda typen av deformation och den bestämda karaktäristiska ñrskjutningen används vid be- räkning av ett estimat av den optiska förlusten i skarven.

KORT FIGURBESKRIVNDIG Uppfinningen skall nu beskrivas såsom en ej begränsande utföríngsform med hänvisning till de bifogade ritningarna, i vilka _ - Fig. 1 är en schematisk vy av ett optiskt system enligt känd teknik för att samtidigt iakttaga ett fiberband med 12 fibrer i två vyer, varvid systemet är i stånd att samtidigt fokusera på alla fib- rerna, - Fig. 2a - 2d är kallfiber- och varmfiberbilder av en skarv mellan fiberband med 12 fibrer tagna ßre skarvningssteget, i överlappningssteget, i själva skarvningssteget respektive efter skarv- ningsförfarandet, i vilka fig. 2b och Ze har tagits, när en elektrisk ljusbåge är aktiv och varmbil- den i fig. 2c har tagits utan någon bakgrundsbelysning.

- Fig. 3a är en varmfiberbild i större skala av den sjätte fibem i fig. u2c, i vilken deformationen av kärnan är klart synlig i fiberns mitt, - Fig. 3b är en ljusintensitetsprofil uppmätt längs den streckade linjen i fig. 3a, - Fig. 4a är en analyserad kallbild som visar ytterligare den beräknade förskjumingen mellan mantlarna, mellanrummet mellan ändytor hos motstående optiska fibrer och avskärningsvinklar hos de vänstra och högra fibrerna i en projektion i en vy, - Fig. 4b är en analyserad varmbild, som i en projektion i en vy visar törstorade områden vid skarvarna, formen hos de deformerade firnorna vid skarvarna och skam/förlusterna, varvid for- men hos kârnornas deformation härleds ur bilden av skarvarna och förlusterna beräknas ur de härledda formerna av kärnorna, _ - Fig. 5 är en översiktlig bild, som visar typer A - F ñr deformationer av kärnor förknippade med motsvarande defonnation av manteln, - Fig. 6a är ett diagram, som visar typiska former hos exponentialfunktionerfeß), vilka simulerar defonnationer av firnor av de i fig. 5 visade typerna A och B, - Fig. 6b är ett diagram som visar typiska former av exponentialfimktionerfi(z), vilka simulerar deformationer av kärnor av de i fig. 5 visade typerna C, D och E, ti... 5 1 4 4 7 6 5 - Fig. 7a är ett diagram, som visar typiska former hos superponerade exponentialfunktionerjflz), vilka simulerar deformationer av kärnor av den i fig. 5 visade typen F, - Fig. 7b är ett diagram, som visar typiska former hos superponerade exponentialfimktionerfem), vilka simulerar deformationer av kärnor, som motsvarar kombinationer av de i fig. 5 visade ty- pema B och C, - Fig. 8a är ett diagram, som visar förlustkoeflicienten som funktion av krökningen hos kärnans deformation för deformationer av kärnor av de fig. 5 visade typerna A och B och av typerna C, D eeh E, där den nennnueennde frekvensen V=n1kd(2.4)”2 är san nu 2 den mentelne brytningsindex antas vara 1,5 och våglängden 1,3 pm, - Fig. 8b är ett diagram, som visar ßrlustkoeñcienten som en fianktion av modfáltets radie ßr deformationer av kämor av de i fig. 5 visade typerna A och B och av typerna C, D och E, varvid data fiån fig. Sa används, _ - Fig. 9 är ett diagram, som visar estimerad skarvförlust för optiska fibrer av typ OVD, varvid lcravet enligt Bellcore uppfylls, - Fig. 10 är ett diagram, som visar estimerad skarvförlust för optiska fibrer av typ MCVD, varvid kravet enligt Bellcore uppfylls, - Fig. 11 är ett diagram, som visar estimerad skarvförlust för optiska fibrer av typ VAD, varvid kravet enligt Bellcore nästan uppfylls, - Fig. 12 är ett diagram, som visar estimerad skarvförlust för optiska fibrer av typ "TrueWave“, varvid kravet enligt Bellcore inte uppfylls, efiersom fibern har en kärna och estimeringspa- rametrarna inte är optimerade ñr denna speciella typ av fiber, och ' - Fig. 13 är ett diagram, som visar estimerad skarvfórlust för fiberband med 8 fibrer av typ VAD, varvid kravet enligt Bellcore inte uppfylls till 100% men mycket nära BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORNIHER Optiskt system ' Ett optiskt system, som används för att estimera förluster i en skarv mellan fiberband och som använder förfarandet med varmfibefoilder, måste möjliggöra, att fiberbanden iakttas samtidigt i två väsentligen vinkelrâta riktningar. I en sådan riktning måste alla de enskilda fibrer-na kunna ses och det optiska systemet måste medge, att bilder av alla fibrerna fokuseras i samma bild. Det dynamiska området för exponeringstiden hos CCD-kameror bör inställas i enlighet med kraven pålagda av hopsmältningsförfarandet för bilder av kalla fibrer och tör bilder av varma fibrer, varvid de varma fibrer-na är de som blir uppvärmda under hopsmälmingstörfarandet. Ett sådant f .. t \( rv 4' f' 4 ' ¿ ( " 6 optiskt system visas i de europeiska patentansökningarna 988500823, 98850080.7 och 988500831. ' Ett lämpligt, i de anförda europeiska patentansökningama visat system, visas schematiskt i fig. 1.

Två CCD-kameror l används ñr att samtidigt ta bilder av det visade skarvområdet som partier av de 12 optiska fibrerna i ett optisk fiberband 3. Skarvområdet avbildas med hjälp av linser 5 på den ljuskänsliga ytan hos kameroma 1. Linsernas 5 optiska axlar 9 äranordnade i lämpliga vinklar ß respektive ot i förhållande till planen genom de fotokänsliga ytoma hos kamerorna 1 och planet ll genom det föremål, som skall avbildas, dvs det plan, som sträcker sig genom fib- rerna i skarvområdet, enligt reglerna enligt Schemipflug och Hinge, se Merklinger, ^ '“Principle of view camera focus”, Internet Article, http://fo.nsm.ca/"hmmerk/I-I1Wbookl8.hnnl, maj 1996, för att få de tolv fibrerna att alla bli belägna i fokalplanet. I en sådan uppställning är förstoringen av den tagna bilden inte likformig över fibrerna.

I fig. 2a, b, c och d visas kall- och varmfiberbilder, som är tagna av det ovan beskrivna optiska systemet före skarvningssteget, i överlappningssteget, i själva skarvsteget och efter skarvningen.

Fastän det är svårt att iaktta variationen av törstoringen av varje fiber i de visade bilderna, är det mycket betydelsefullt att ta hänsyn till denna variation vid bildbehandling och vid beräkning av förlusten.

Estimering av skarvförlust ur deformation hos kâmans axel enligt känd teknik Det är välkänt, att förlust av ljuseffekt i srnältskarvar huvudsakligen orsakas av deformationer av kärnoma jämte kontaminering av fibrernas Deforrnationerna av kärnorna, som ñrorsakas av ßrskjutning mellan längdaxlarna hos de skarvade fibrernas ändpartier, stora avskärnings- vinklar, osv, ökar kopplingen mellan den elektromagnetiska grundmoden, mantelmoderna och strålningsmoderna för ljus, som fortplantas i en optisk fiber. Avskärningsvinkeln är vinkeln hos en optisk fibers ändyta i förhållande till längdaxeln hos motsvarande ändparti av den optiska fi- bern och idealiskt skall avskärningsvinkeln vara 90°. Läckning av ljusenergi härrörande ifrån modkopplingen utgör skarvförlusten. Om formen hos kärnornas deformationer är kända, kan dä skarvens ñrlust beräknas med hjälp av modkopplingsanalys, som baseras på deformationens ut- seende, se den ovan nârnnda artikeln av W. Zheng, “Loss estimation for fusion splices of single- mode fibers”. Sålunda är en riktig besfirnning av kämomas deformationer ur de-tagna digitala bilderna ett högst betydelsefirllt steg ßr att erhålla en rimlig noggrannhet vid estimering av skar- varnas förlust. 514 476' 7 En del av varmbilden i fig. 2c är förstorad och visas i fig. 3a. Ingen belysning har använts vid tagning av bilden. Fibem glödde, efiersom den upphettades av bågurladdningen under skarv- ningen. Värmestrålningsemissiviteten, alltså ljuset intensitet, från olika delar av den upphettade fibern varierar med dopningsmaterial och deras halter i kiseldioxid, se T. Katagiri, M. Tachikura, och K. Ishihara, “Direct oore observation method using thermal radiation of silica fiber with dopants”, Electron. Commun. Japan, del 2, vol. 71, nr ll, sid. 77 - 85, 1988. Sållmda ser den Ge- ' dopade kärnan mycket ljusare ut än den av ren kiseldioxid gjorda manteln. Ljusintensitetens pro- fil mått längs den streckade linjen i fig. 3a är utiitad i fig. 3b.

Ljusintensiteten fördelning i den digitala bilden av den i fig. 3a visade, upphettade fibern kan ut- tryckas som en funktion I(x, z) i y-vyns projekfion respektive en funktion I(y, z) i x-vyns projek- tion, då z-koordinataxeln är belägen i fibrernas längdriktning och x- och y-koordinataxlarna är vinkelräta mot denna och mot varandra, sä att x-axeln är belägen i planet hos den tagna bilden i y-vyn i fig. 3a och y-axeln är belägen i planet genom den tagna bilden i x-vyn. Den i fig. 3b ri- tade intensitetsprofilen kan sålunda uttryckas som en funktion I(x, zo) i en fast punkt zo på z-ax- eln. Denna proñlkiirva erhålls genom superponering av ljus, som utsänds från kärnan .och fi-ån manteln, och av brus, vilket alstras av de optiska och elektroniska system, som används för att ta bilden.

Som allmän metod för att minska bruset i bilden och för att alstra kontinuerliga intensitetsprofi- _ ler kan ett lägpassfilter såsom ett gaussiskt filter, se den ovan anförda artikeln av W. Zheng, 0.

Hultén och R. Rylander, “Érbium-döped fiber splicing and splice loss estimatiom” tillämpas i rumsfrekvensdornänen eller med andra ord kan en faltning göras i rumsdomänen: Sea) = fe + f; +J>G <1) . _ 1 f? f* GÜa/:Aß )= liwm ÛXP(_4*ÓZ'BÉJ (2) där index m och n betecknar samplingsområdet och A och B ä parametrar i det gaussiska filtret.

Ju större parmnetrarnas värden är, ju lägre är passbandet i frekvensdomänen. De faktiska värdena på de inställda parametrarna beror på det optiska och elektroniska avbildningssystemet. Ett stort antal prov behövs normalt för att bestämma en lämplig uppsättning värden fór ett givet avbild- ningssystem. Genom att söka den numeriska lösningen på 514 476 s ;fc-S=0 e) i y-vyns projektion av varmbilden vid fiberns mitt längs fiberaxeln, kan vi erhålla kärnans de- formation som en funktion j§_view(z) av z i y-vyn. Med hjälp av en liknande formel för x-vyns projektion kan vi få en funktion j,}.v,-ew(z) ßr kärnans deformation i x-vyn. Såsom exempel har deformationsfunkfionerna för kärnorna hos de i fig. 2c visade fibrerna beräknats och år utritade i fig. 4b.

Med kännedom om deformationsfunktionerna för kämorna i de båda vyema j§_víew(z) och fy. view(z), kan skarvtörlusten P beroende på kärnornas deformation beräknas numeriskt med hjälp av modkopplingsteori, se den anförda artikeln av W. Zheng, “Loss estimation for fusion splices of single-mode fibers”: r = r, J; r, (4) dvs den totala skarvfórlusten I' är en summa av en skarvßrlust F, för x-vyns projektion och en skarvtörlust F, rör y-vyns projektion, där r, =§§Z [ lrtvitwßßg- ßß M2] (dB) (s) -f 0 1s 2 .

Pff-z-ÉÉZ [lFtvietxa-ßaniz] (dB) <6) där L/2 F(ß) = LL/Zflz) explï-í (ß) z] dz, ß=ßg - ßls, (7) ßr både x-vyns respektive y-vyns projektioner inom det i fig. 3a visade sken/området (-L/_2, L/2).

Ovan betecknar Bg propagationskonstanten för den guidade elektromagnetiska LPm-moden och Bl, betecknar propagationskonstanten fór en mantelmod. I en síngelmodfiber av stegindextyp kan de approximeras av 1 2 ßge "škz-:zï-:Vï (S) och . 2 ßs= nfkz <9) där följande beteckningar används 5 1 4 4 7 6 9 a, b och w är radier hos fiberns kärna, hos manteln respektive hos modfáltet; A = (ng -in1)/ni1, där m och n; är brytningsindex hos manteln och kärnan; k= 21: / Ä, där Ä ärvåglängden; JO och Jl ärbesselfimktionen av Ozte och 1:a ordningen; jl, ärjzte roten ñr 1:a ordningens besselfimktion Jl; C = l0log e = 4.34. ' I ekv. ( 1) - (9) kan vi iakttaga, att kärnornas deformation i skarvningsområdet orsakar modkopp- lingen. En andel ljusenergi i den guidade moden kopplas till mantelmoderna, som inte kan fort- plantas längs fibern. Genom att summeraall den till mantelmoderna kopplade energin erhåller vi skarvßrlusten. Eftersom alla typer av deformationsfunktioner för kämornas axel måste uppfylla randvillkoret vid de båda ändarna av skarvområdet (-L/2, L/2), har vi flz) =_)§.v¿,w(z) =j§_view(z) s 0 för z S -L/2 eller z 2 L/2 (10) och sålunda kan integrationen i ekv. (7) i själva verket ersättas med en fouriernansform Fw>= llflaexpefßadz i dawn-as (n) Om sålunda deformationsfunktionen är en analytisk funktion, måste den av ekv. (4) givna tör- ' lusten också vara analytisk. Genom numerisk beräkning kan vilka former som helst hos defor- mationen., som bestäms med hjälp av bildbehandling, direkt insättas i ekv. (20) för att erhålla skarvñrlusten, varvid de beräknade värdena visas i fig. 4b. Vi har inte gjort några approximatio- ner vad beträffar formen hos deformationen av kämornas axel i varmbilder. Emellertid betraktas skarvfórlust beroende på deformation av kârnornas storlek, variation av brytningsindex och kontaminering inte här.

Estimering av skarviörlust ur deformation av manteln Fastän mer än 80% av de typer av fiberband, som finns på världsmarknaden, kan hanteras med hjälp av det ovan beskrivna varmfiberbildsñrfarandet, finns vissa typer av fiberband eller vissa skarvkombinationer, som inte lätt kan hanteras med hjälp av varmfiberbildsförfarandet. Exem- pelvis är kärnan fullständigt osynlig i varmfiberbilden av optiska fiber med ren kiseldíoxidkärna, efieisom det inte finns något germanium eller något annat dopämne i kärnan. För en skarv mel- lan vissa fibrer av olika typer är den termiska strålningsemissiviteten irån en fiber mycket star- . (__ __ , , _ ._., r< , ,. t- r i 2 .. <. .. . f. « «;.f r t» t. < . » >x r r tt < 1 <- . . x f f_ L: kare än från den andra fibem. Det kan då vara mycket svårtatt iakttaga kärnorna hos de båda fib- rerna vid skarvstället för samma styrka hos hopsmâltningsströmmen. Emellertid skulle för dessa fall den ovan nämnda formen för estimering av förlusten också kunna fimgera, om det funnes något sätt att erhålla deformationsfunktionen ßr kårnornas axel utan att använda varmfiberbil- derna De flesta av de fibertyper, som añärsmässigt säljs för allmänna telekommunikationsåndarnål, har en mycket liten excennicitet för kärnan i ñrhållande till manteln, i allmänhet mindre än 0,2 um.

För dessa fibrer med liten excentricitet kan kämomas deformation beroende på skarvningen för- utsågas ur formen hos manteln under skarvningsförfarandet. En databas över bilder av skarvar, innefattande en stor mängd olika fibertyper och typer av skarvar, har upprättats innefattande mer än 200 filer med skarvdata ñr fiberband med 12 fibrer och med S fibrer av 4 huvudtyper av fib- rer, för att bestämma relationerna mellan deformatíoner av mantlarna och deformationen av kär- noma. Deformationen av kärnorna hos alla de för databasen valda fibertyperna är tydligt synliga i varmfiberbildema Varje fil med skarvdata innehåller : - datum och tidpunkt, när skarven gjordes; - 12 bilder tagna ñre, under och efier skarvningen för alla fibrer i proj ektionerna för både x- och y-vyma; ' - alla hopsmältnings- och styrparametrar för att utföra skarven, såsom smâltström, hopsmält- ningstid, exponeringsförhållanden för kamerorna, etc.; - alla estimeringsparameuar och estimerade förluster för varje fiber, - skarvföflusr man i två riktningar med hjälp av ornR för varje fibef.

Vissa typiska relationer mellan kärnornas deformation och deformafionen av mantlarna har sam- manställts för dessa 2000 skarvningspunkter i databasen och fórtecknas i översikten i fig. 5. De typiska deformationsområdena för mantlama upptas i tabell 1 för varje motsvarande deforma- tionstyp. 514 476 ll Tabell 1. Typiska deformationsområden för mantlarna fiån 1404 filer för skarvningsdata. Data fiån avsiktligt gjorda dåliga skarvar har uteslutits. Alla data är absoluta värden utom ßrskjut- ningen för radierna.

Mantelns deformationstyp och Maximum Minimum Medel- Standard- uppmätt förlust värde deviation Typ A: Axelförskjutning 5A 1,4 pm 0,0 pm 0.4 pm 0,2 pm Typ B: Axeldeforrnation SB 13.7 pm 0,1 pm 2.3 pm 1.9 pm Typ C: Avskårningsvinklarnas avvikelse 3,2° 0,0° 0,5° 0,3° Öc Typ D: Axelvinklarnas avvikelse 5D 1,l°. 0,l° 0,6° 0,2° Typ E: Radiernas avvikelse SE 8,3 pm -4,2 pm -0,5 pm 0,01 pm Typ F: Överlappningsböjning ÖF 7,0 pm 0,0 pm 1,l_ pm 0,6 pm Uppmätt förlust ' 0,82 dB 0,00 dB 0,06 dB 0,07 dB I de olika deforrnationsfallen är kärnorna deformerade och/eller är inte inriktade med varandra.

Detta kan i vissa fall observeras som en deformation av mantlarna före eller efter skarvningsste- get. I andra fall finns ett oregelbundet ställe i de yttre sidorna hos mantlarna sett i bilder tagna före och/eller efter skarvningen. Det kan också finnas oregelbundenheter vid ändytorna av de fiber, som skall hopskarvas. I de olika fallen kan en karakteristisk förskjutning eller avvikelse Si definieras, som kan mätas i kallfiberbilderna tagna ñre och/eller efter skarvningen. Vid mantel- deformation av typ A finns en ñrskjutning 5A mellan kärnoma hos de skarvade fibrerna. För- skjutningen kan mätas direktsom en förskjutning mellan mantlarna i den färdiga skarven. typ B är fibrerna deformerade vid skarvningsytan. En karaktäristisk förskjutning SB bestäms här som skillnaden mellan förskjutningen öb mellan mantlarna före skarvningen och förskjutningen 8A mellan mantlarna i den färdiga skarven. Vid deformationer av typ C är ändytoma hos fibrerna före skarvningen inte parallella - de skall båda vara väsentligen vinkelräta mot fibrernas axlar.

En karaktäristisk avvikelse EC definieras här som ändytomas vinkel i förhållande till varandra och mäts i den bild av skarvníngsområdet, som har tagits ñre den faktiska skarvningen av fib- rerna. I manteldeformatíoner av typ D finns en vinkelavvikelse 8D mellan fibrernas kärnor före skarvningen, som kan erhållas ur vinklarna mellan mantlainas yttre sidor i den motsvarande bild, vilken har tagits före skarvningen. Denna vinkelavvikelse är den karakteristiska avvikelsen för denna deformationstyp. För skarvar med deformationer av typ E har det uppvärmda området ef- ter skarvningen en mindre diameter à resten av fibrerna, varvid detta benämns en radíeavvikelse 514 476 12 85, som kan mätas i den bild, vilken har tagits efter skarvníngen, som skillnaden mellan fibrernas ordinâra radie och radien hos det smalaste skarvningsområdet. Slutligen finns i vid deformatio- ner av typ F en böjning av det område, i vilket skarven skall utföras. Detta innebär, att i den ñre skarvningen tagna bilden detta område är krökt i en riktning bort från fibrernas gemensamma axel. Topphöjden hos detta laökta området i ßrhållande till mantlarnas korrekt liggande sidor är den karakteristiska avvikelsen 85 i detta fall.

Ur fig. l och tabell 1 finner vi, att formen hos kärnan för de flesta av typerna av kärndeformatio- ner kan simuleras eller approximeras av en exponentiell fimktionj”e(z): óiefl; z<0, y,>O ale-H; z>ø, y,>0 (12) 1262) =_ { Exponenterna r och l betecknar vänster och höger, ö och y beskriver storleken hos respektive krökningen hos kärnornas deformation och z är läget eller avståndet i längdriktningen, den ovan definierade z-koordinatrikmingen. Den exponentiella funktionen fe(z) uppfyller randvillkoret i ekv. (10), när L-><>o. Om i praktiken skarven inte är allt tör nära en annan skarv eller fiberände, kan vi alltid finna ett värde på y, som får f,(z) att konvergera tillräckligt fort. Olika y -värden är i själva verket relaterade till olika typer av deformationer av kärnan enligt fig. l. Ju mindre y-vär- det är, ju rakare är kärnornas axel och ju närmare en rät linje är den faktiska fonnen hos kär- norna. Vrssa typiska former hos f;(z) är ritade i fig. 2a och Zb. Ur fig. 2a och 2b finner vi, att ty- perna A och B av deformationer av kärnorna enligt fig. 1 och tabell 1 kan simuleras väl av en fimktionjqz) med en med storlekar 51 och ö, hos krökningen av motsatta tecken, och typerna C till F av deformation av kärnorna kan simuleras av en flmktion fe(z) med storlekar ö; och ö, av krökningama med samma tecken. Ibland kan en deformation av kärnorna bäst simuleras av en superponering av två eller flera exponentialftmktioner: fe(z) = fe1(z) + j22(z) +... Två exempel på sådana superponerade funktioner visas i fig. 3a och 3b. Funktionerna enligt fig. 3a är lämpliga för att simulera deformationstypen F och funktionerna enligt fig. 3b kan ofta användas, när en skarv lider av både en förskjutning mellan axlarna och en avvikelse på grund av avskärnings- vinklarna, dvs är en kombination av typ B, och typ C.

Om deformationsfunktionenfi(z) insätts i ekv. (l 1), kan vi erhålla kvadraten av absolutvärdet av motsvarande fouriertransform [ar/ref +ßz>+anvf +ß2>]2 +[«zß -otßvf +ß2>T [vi +ß2>]” :FW = m) 514 475 ~ 13 Ur databasen med bilder av skarvar har det befunnits, att kräkningar-na y; eller y,- hos den de- formerade formen hos kärnoma är nära relaterad till hopsmältningsströmmen, varalctigheten hos och överlappningsavständet. I de flesta fall, utom rör skarvar gjorda mellan fiberändar, som har en stor avskämingsvinkel såsom mer än 5° hos fiberändens yta på en sida av skarven, har vi y; = 7,. Sålunda degenererar ekv. (13) till: F Det har också upptäckts i databasen med bilder av skarvar, att i mer än 90% av skarvarna är storlekarna hos deformationema lika stora på både vänster och höger sida, dvs. |ó} | = lö, [_ Un- dantag inträffar, när den elektriska ljusbåge, som används för skarvningen, har ett läge, vilket avviker fiån en linje, som sträcker sig vinkelrätt genom skarvens mitt och alltså upphettar den ena fiberänden starkare än den andra.. Sålunda kan vi allmänt erhålla skarvningstörluster ur de två huvudklasserna av deformationer. För skarvar hörande till deformationsklassema A och B, ö = ö; = -5,, kan skarvtörlusten härledas ur ekv. (6) och (14): sony ßf Jfçjha/b) P- bzwzzwnßzy mik) ,föff-n-a<>chß-a~-a. (15) Likaledes har vi för skarvar hörande till deformationsklasserna C till F, se fig. l och tabell 1 SCAâZ 72 J,2(j1 a /b) I'= s dBt"==,hó'==. 16 bzwz :o/Hßzf Jämn ( m” “l 7°° å å' U Ur ekv. (15) och (16) kan vi finna typiska relationer mellan skarvtörlust och typer av kärnans de- formation. Först av allt är skarvförlusten alltid direkt proportionell mot kvadraten på storleken 8 av kärnornas deformation och är omvänt proportionell mot kvadraten på modfåltsradien, ßrut- satt att NER inte är allt för liten, w > 3 pm, för alla typer av deformationer av kärnorna: r=c(y, ß) âz/wz fófw>s (17) För det andra bestäms koefficienten c(7, ß av krökningen y hos deformationen och fiberformen ß. Ur ekv. (15) och (16) erhåller vi uttrycket ßr skarvkoeñicienten tör olika typer av deforma- tioner av kärnor scA 1%, /b) _ c(y, ßj = bz 2 (72 fly), 1.12: ) för deformationsklass A ochB (18) å' 0 IS och 514 476 14 _ scn ß .IfUUa/b) ”m” If vwßzf Jäot) för deformationsklass C, D och E (19) Vissa typiska skarvkoefficientktirvor som funktion av krökningen y hos kämornas deformation och modfältsradien w är ritadei fig. Sa och 8b. I fig. Sa och 8b kan det iakttagas, att i de flesta fall alstrar skarvar hörande till deformationsklassernas C till F en större skarvförlust än klasserna A och B, om storleken ö hos deformationen och krökningen y är lika. Detta innebär, att skarv- förlusten är känsligare för en stor avvikelse av avskärningsvinklama än en stor förskjutning mellan axlarna. Vi kan också se, att en större krökning y ger en mindre skfirlust, eftersom en i mindre andel av det guidade ljuset kan följa den lcrökta kärnan för att kopplas med mantelmo- derna. Detta är 'skälet till att en ganska hög hopsmälmingsström och en lång varaktighet hos hop- smältningsförfarandet är nödvändiga för skarvning av fiberband ñr att bemästra ñrskjutning- arna mellan axlar och avvikelserna hos ändytorna fiån vinkelrätt läge. För en automatiserad skarvningsapparat av hopsmältningstyp är hopsrnältningsparametrarna ofta optímerade. För en liten variation av styrkan hos den elektriska ljusbågen är krökningen y nästan konstant y,~ för var och en av deformationsklasserna z' = A, B, ..., F. Det faktiska värdet på konstanten y,- kan erhållas genom att mäta formen hos kärnorna i varmfiberbilderna. Vidare är de genomsnittliga skarvför- lustema för skarvar mellan fiber av de dispersionsskiftade typerna ofta större än i nonnala SM- fiber ("singelmodfibrer") på grund av dessas mindre värde w på modfältsradien (MFR). Ett mindre w ger upphov till en större skarvförlust inte bara beroende på den omvända relationen i ekv. (17) utan orsakas också av ändringen av förlustkoefiicienten, se fig. 6b, eftersom det mer _ koncentriskt fördelade, guidade ljuset har en större förmåga att följa den krökta kärnan. Eftersom emellertid optiska fibrer med smala kämor, såsom erbiinndopade fibrer, etc., ännu inte har an- vänts i fiberband, varierar MFR i ñr närvarande använda fibertyper endast *från 4 um till 5 um och fórlustkoefiicienten kan approximeras som en fiinktion, vilken endast är beroende av y; : cQfl-ecßfgfiwqj), ñr i=A,B,...,F och 4Sw_<_5 (20) För deformationstyperna A och B är det uppenbart , att ö har ett linjärt beroende av ßrskjuming- arna mellan axlarna 5A och 55, se fig. 1. Emellertid är relationen mellan ö och vinkelavvikelserna öc, 6D och radieavvikelserna öE inte så uppenbara. Vid jämförelse av deformationema av mant- lama och kärnorna för ett stort antal skaivar i databasen med skarvar, upptäcktes det, att en linjär relation är statistiskt sätt giltig för alla de fem klasserna av deformationen om deformationen av mantlama ligger inom det område, vilket upptas i tabell 1. V1 har också avsiktligt gjort några yt- 514 476 ,å߶»¿Q;¿¿ 15 terst dåliga skarvar med deformationer av mantlarna, som är mycket större än de maximala vär- dena, som finns i tabell 1. En linjär relation gäller inte längre för klasserna C till F för sådana mycket dåliga skarvar. I de flesta typer av automatiserade skarvningsapparater för fiberband kontrolleras alla fiberändarna före skarvning. Om avskärningsvinklarna, mellanrummen mellan fiberändarna eller ßrskjutning mellan axlarna befinns vara större än i ßrväg inställda tröskel- värden, kommer fiberbandet i vilket fall som helst att förkastas beroende på den framställda då- liga skarven. Därigenom utesluts automatiskt mycket dåliga fiberändar och följande linjära fimktioner mellan deformationsstorleken ö och ñrskjutningarna eller avvikelserna 5A till ö; kan användas: ó'=x;~ 5,-, ñri=A,B, ...,F (21) Vidare kan flera felaktigheter uppträda vid samma fiberände. Olika typer av deforrnationer kan kombineras, såsom visas i fig. 6a och 6b. Superponering av deformationsfunktionema fiz) ger inte enkel simimering av förlusterna, eftersom fouriertransforrnen av _f(z) är en komplex funktion.

Emellertid kan vi estimera den övre gränsen ñr den totala skarvningsförlusten: rm s K,- Wja-Z, för x- euer y-vyn (22) Den totala skarvningsförlusten estimeras genom addition av de totala förlusterna i x- och y-vy- CIIla.

EXPERllvIENTELLA RESULTAT För att bestämma estimeringspararnetrarna m, n, A, och B för skarvförlustenenligt ekv. (l) för estimeringen av skarvförlusten ur varmfiberbilderna liksom parametrarna r,- c(;f), för i = A, B, ..., F enligt ekv. (22) för estimeringen av skarvförlusten ur kallfiberbilderna har ett datorprogram utvecklats. Genom att låta programmet behandla ingångsdata fiån databasen för bilder över skar- var simulerades omlqing 340 000 fiberbandsskarvar och 3,7 miljoner skarvningsställen återesti- merades med olika uppsättningar av estimeringsparametrar. Efter simuleringen inñrdes både det ovan beskrivna estimeringsförfarandet baserat på varmfiberbild och det ovan beskrivna estime- ringsfórfarandet baserat på kallfiberbild tillsammans med alla de estimeringspai-amen-ar, som be- räknats ur databasen, i en automatisk skarvningsmaskin för fiberband ñr att verifiera möjlighe- ten att använda den ovan gjorda diskussionen.

Det allmänna förfarandet, när information befintlig endast i kallfiberbilderna används, innefattar stegen: 5 'l 4 4 7 6 16 Bestäm ur bilderna av skarvningsområdet ñre skarvning och efter skarvning formen hos mant- larna, bestäm deformationstypen i = A, B, C, D, E eller F och värdet på den tillämpliga parame- tern di. (se fig. 5) Bestäm värdena K,- och c(7-) från en tabellslagning i en uppgjord tabell.

Använd ekv. (22) med W = 4 för att estimera den totala förlusten.

Noggrannhetskriterierna från Bellcore för estimering av skarvförlust, se Bellcore, Generic Requirements fiør Multi-Fiber Single-Mode Optical Splices and Splicing Systems. GR-1095- CORE, Issue 2, november 1996, är accepterade i vida kretsar i världen och upptas i tabell 2.

Dessa kriterier innehåller gränser för både 90% och 100% av populationen, såsom visas i tabell 2. Dessa båda gränser måste vara uppfyllda för att kriterierna skall uppfyllas. Kriterierna erford- rar ett antal skarvar med förluster större än 0,4 dB för att bekräftelse skall erhållas. Kriterierna är desamma som kriterierna för skarvning av enskilda fibrer.

Tabell 2: Noggrannhetskriterier för skarvförlust enligt Bellcore Estimeringsornråde Faktisk Krav Mål Förlust 90% 100% 90% 100% S 0,40 dB 10.10 dB :G25 dB 10.05 dB 10.10 dB > 0,40 dB :25 dB a=50 dB 115 dB 1:30 dB I vårt experiment har fyra olika typer av fiberband med 12 fibrer och en typ av fiberband med 8 fibrer provats. För varje skarv har både förfarandet med deformafion av kârnans axel och förfa- randet med deformation av manteln, också benämnda de varma respektive kalla förfarandena, såsom beskrivits ovan, använts för att göra estimeringar av skarvförlusterna. Dessutom har de båda förfarandena kombinerats för att få fram det större estimerade värdet. Om en ñrlust, som estimeras med hjälp av de varma och kalla förfarandena, dvs bestämda ur ekv. (4) och ekv. (22), betecknas med Pm respektive 110m, definieras förlusten 110m, erhållen ur det kombinerade förfa- randet av Tmmb = Illa-X (Thor , fana) (23) ..f<.r 5 l 4 4 7 6 '17 ñr varje skarv. De experimentella resultaten upptas i tabell 3. Några kommentarer till resultaten bör göras. Eftersom alla de för provet valda fiberbanden har en excentricitet ñr kärnorna i för- hållande till manteln, som är nästan lika med noll, framgår det, att resultaten “från det kalla förfa- randet är bättre och stabilare än förfarandet med varmbild Särsldlt för fibrer av typen MCVD fungerade det varma förfarandet inte särskilt bra på grund av den dåliga kvaliteten hos varmfi- berbilderna. Varken det varma eller kalla ñrfarandet taget ñr sig kunde uppfylla l00%-lo'avet enligt Bellcore. Emellertid fungerade det kombinerade förfarandet för de flesta fibertyper. I det firllständiga experimentet användes samma uppsättning estimeringsparameüar ßr alla fibertyper.

Eftersom fibrer av typ "TrueWave" har mindre MFR och är mycket känsligare ñr deformationer av axlarna, användes en speciell modifiering av estimeringsparametrarna KB för att förbättra es- timeringsresultaten. I själva verket fungerade det varma förfarandet inte så bra för fibertypen "TrueWave", efiersom dennas tunna kärna gör upplösningen till och med sämre i varmfiberbil- derna..

Tabell 3: Experimentella resultat från estimering av skarvförlust Uppfyller Bellcores 90%-krav Uppfyller Bellcores l0O%-krav Fibertyper Enbart Enbart Det kom- Enbart Enbart Det kom- vafm- i kan- bmefade varm- kan- bmerade bildsfór- bildsför- förfaran- bildsför- bildsför- förfaran- farandet, farandet, det, farandet, farandet, det, ekv. (4) ekv. (22) ekv. (23) ekv. (4) ekv. (22) ekv. (23) OVD-l2 95.96% 93.09% 93.90% 99.36% 99.80% l00.00% (40 skarvar) MCVD-l2 92.50% 91 .20% 92.l3% 99.50% 99.54% l00.00% (20 skarvar) VAD-l2 9l.83% 88.38% 92.29% 99.35% 99.38% 99.58% (40 skarvar) TrueWave-l2 88.l7% 92.13% 92.l3% 96.24% 99.54% 99.54% (20 skarven) r ,_ VAD-8 i 93.23% 92.62% I 93.23% 97;23% 99.08% 99.69% (45 skarvar) Motsvarande detaljerad estimeringsinformation kan ses i fig. 9 - 13. Alla de inritade värdena har erhållits fi-ån det kombinerade estimeringsförfarandet. Skarvförlusterna uppmättes med hjälp av 514 476 1s OTDR med det dubbelriktade förfarande, som föreslås i Bellcores specifikationer. Kraven enligt Bellcore för noggrannheten hos estimering av ßrlust anges av områden belägna innanför strec- kade linjer respektive heldragna linjer. För att uppfylla lcravet skall 90% av punkterna falla inom området innanför de streckade linjema och 100% av punkterna skall falla inom området innanför de heldragna linjerna.

Claims (6)

~ nu 5 l 4 4 7 6 I? PATENTKRAV

1. Förfarande för att estimera törlust i en skarv utförd mellan två optiska fibrer irmefattande ste- gen - att ta en bild av skarven och - att bestämma ur bilden en estimering av förlusten, kännetecknat av _- att en bild tas av ett område av de optiska fibrerna vid ändytor, som skall skarvas, direkt före skarvningen, när de optiska fibrerna är placerade vid varandra med sina ändytor i beröring med varandra, - att en bild tas efter skarvníngen, - att bilderna analyseras för att bestämma en typ av deformation och en karakteristisk förskjut- ning eller avvikelse hörande till typen av deformation, - att ur den bestämda typen av deformation och den bestämda karaktäristiska fórskjutningen eller avvikelsen beräknas en estirnering av den optiska förlusten i skarven.

2. Förfarande enligt krav l, kännetecknat av att vid bestämning av en karakteristisk förskjut- ning eller avvikelse bestäms törskjutníngar i sidled mellan yttre sidor hos de optiska fibrerna töre och efter skarvning och att en skillnad mellan förskjutningarna i sidled beräknas.

3. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att vid bestämning av en karakteristisk förskjut- ning eller avvikelse bestäms en vinkel mellan de optiska fibrernas ändytor före skarvning.

4. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att vid bestämning av en karakteristisk förskjut- ning eller avvikelse bestäms en vinkel mellan längsgående riktningar hos intilliggande ändområ- den av de optiska fibrema före skarvning.

5. Förfarande enligt krav I, kännetecknat av att vid bestärrmíng av en karakteristisk förskjut- ning eller avvikelse bestäms en skillnad mellan en radie hos intilliggande ändområden av de op- tiska fibrema före skarvning och efter skarvning.

6. Förfarande enligt krav l, kännetecknat av att vid bestämning av en karakteristisk förskjut- ning eller avvikelse bestäms höjden hos en böjning i sidled hos intilliggande ändomräden av de optiska fibrerna fiire skarvningen.