SE522255C2 - Anordning och förfarande för smältskarvning av ändar av två optiska fibrer - Google Patents

Description

25 30 u . c ~ » o I I ~ ' 'I 5 n o n .nu o nåtts inom de tidigare två decennierna, är industriell användning av laserskarvning av optiska fib- rer fortfarande begränsad. Inga kommersiellt tillgängliga laserskarvningsanordningen finns för närvarande tillgängliga på marknaden. Detta kan bero på i forsta hand tekniska skäl, tex höga krav på kvaliteten hos laserstrålen, på strålens inriktning och styrsystem, på skydd för operatörer mot laserstrålning, etc., och en ringa förståelse av den ganska komplicerade beskaffenheten hos skarvningsförfaranden, vid vilka laserljus används. Det finns således ett behov inom tekniken att uppställa allmänna begrepp vad gäller sätt, på vilket en smältskarvningsapparat skall konstrueras, vilken använder sig av laserljus och medger, att kontrollerbara hopsmältningsförfaranden kan automatiskt utföras för att hantera olika hopsmältningsförfaranden för alla typer av optiska fibrer.

Utformningen av en skarvningsanordning, som använder sig av laserljus, bör också uppfylla kra- ven på tillverkning i stor skala, tex bör skarvningsapparaten vara liten, kompakt, robust, totalt säker for operatörer och den bör lätt kunna undergå tillsyn och underhållas.

Förståelsen av hopsmältningsförfarandet vid skarvning med hjälp av laserljus är mycket viktig för att konstruera en skarvningsanordning, vid vilken laserljus används. I en konventionell skarvningsapparat, till tex en smältskarvningsapparat, som utnyttjar en elektrisk ljusbåge, erhålls den höga temperatur, vilken krävs för skarvningen, över l800° C, med hjälp av en elektrisk ljus- båge, vilken åstadkommer ett plasma av restgaser, t ex luft, som omger de optiska fibrerna, me- dan hopsmältningsförfaranden, vid vilka laserljus används, hänför sig huvudsakligen till den starka absorptionen av laserljusets energi direkt i de fibrer, vilka skall skarvas med varandra. Det experimentella beviset för att stödja att ett optisk absorptionsförlopp finns vid skarvning med hjälp av laserljus är det svaga beroende av hopsmältningstemperaturen av ändringar i omgiv- ningen, t ex höjd, fuktighet, etc., och det starka beroendet på arbetsvåglängden hos de använda la- serkälloma.

Det är känt, att ljus, vilket utsänds av COz-lasrar, starkt absorberas i många komplexa äm- nen, tex papper, trä, keramer, plast, glas, vätskor, granit, etc. Hittills har COz-lasern varit den enda laser, vilken har praktiskt använts för att skarva optiska fibrer. I konventionella system an- vänds COg-lasrar med en arbetsvåglängd av 10,6 um. Fig. 1 visar infraröda absorptionsspektra, som har erhållits for med germaniumoxid dopat kiseldioxidglas, GeOg-SiOz, fosforsilikatglas, P2O5-SiO2, borsilikatglas, B2O3-SiO2, och smält kiseldioxid, se H. Osanai, T. Shioda, T. Mori- yama, S. Araki, M. Horiguchi, T. Izawa, och H. Takata, "Effect of Dopants on Transmission Loss of Low-OH-Content Optical Fibers", Electron. Lett., vol. 12, nr 21, pp. 549 - 550, 1976. Det kan observeras, att vid våglängden 10,6 um erhålls en relativt svag absorption av .cirka 15% for kisel- dioxidglas. Vid ett närmare betraktande upptäcks, att vid denna våglängd 10,6 um beror absorp- tionen starkt på de olika dopämnena i fibrerna och att absorptionen varierar inom området 10 - 10 15 20 25 30 5 2 2 2 5 5 gïtg . E11.. 'i ':1= 3 30%. Detta innebär att smältskarvningsförfarandena och de fysikaliska egenskaperna och para- metrarna hos dessa är starkt beroende på den faktiska typ av fibrer, vilka skall skarvas ihop, t ex homogeniteten hos och mängden av olika dopämnen i fibrerna. Eftersom vidare våglängden 10,6 um är belägen inom ett område, i vilket absorptionen för de nämnda glassorterna har en mycket brant ändring med våglängden, kan små avvikelser hos våglängden, vilka till exempel erhålls vid tillverkningen av COz-lasrar - i det typiska fallet föreligger en avvikelse av omkring iO,3 um - leda till upp till 20% drift vad gäller absorptionen. Detta medför, att de optimerade smältskarv- ningspararnetrarna kan fungera fullkomligt för en skarvningsapparat och att de kan vara fullstän- digt oanvändbara i en annan skarvningsapparat. För att erhålla en tillverkning i stor skala av lika- dana skarvningsapparater, måste därför höga krav ställas på tillverkningen av likadana lasrar, så att t ex en hög noggrannhet erfordras vad gäller arbetsvåglängden och en hög stabilitet vad gäller den utsända optiska effekten, vilket kanske inte är realistiskt.

Olika optiska anordningar för skarvningsapparater, som utnyttjar laserljus, har föreslagits inom tekniken, se tex U.S. patent nr 5,l6l,207, 3 nov. 1992, för Joseph L. Pikulski, och U.S. patent nr 5,339,380, 16 aug. 1994, för Joseph A. Wysocki et al. I dessa patent visas två typer av strålvidgande och strålforrnande anordningar. Det först nämnda patentet använder rörliga speglar för att avböja en kollimerad stråle för att bilda en divergerande konisk stråle, som sedan reflekte- ras av en paraboloidfonnad spegel för att bilda ett konvergent konisk strålknippe, vilket i sin tur fokuseras mot den optiska fibern. Det andra patentet använder en strålvidgare för att vidga bred- den hos en kollimerad stråle, som sedan reflekteras av en paraboloidformad spegel, vilken foku- serar strålknippet mot fiberskarven. Vid dessa båda patent är skarvningsläget mellan fibrerna be- läget inom den ej fokuserade delen hos strålknippet. Vid det första patentet åstadkoms en indirekt inriktning av den av COg-lasern utsända strâlen genom en visuell observation av strålen från en heliuin-neonlaser med låg effekt. Strålen från helium-neonlasern kan då omväxlande inkopplas i samma strålväg som strålknippet från COg-lasern via en borttagbar spegel. När denna spegel är satt på plats, blockerar den också ljuset från COg-lasern, om något skulle komma därifrån. Vid det andra patentet styrs inriktningen av Cüg-laserstrålknippet genom att avkänna den mängd ljus, som utsänds av COg-lasern och sprids åt sidorna från skarvningsläget.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Det är ett ändamål med uppfinningen att anvisa ett effektivt förfarande för smältskarvning av optiska fibrer med hjälp av laserlj us. A Det är ytterligare ett ändamål med uppfinningen att anvisa en stabil och kompakt anordning för smältskarvning av optiska fibrer med hjälp av laserlj us.

Det är ett ytterligare ändamål med uppfinningen att anvisa en anordning för smältskarvning 10 15 20 25 30 u n c n . c n ø ø o nu u 522 255 4 av optiska fibrer med hjälp av laserljus, vilken har effektiva anordningar för att inrikta laserstrå- len med de fibrer, som skall skarvas ihop.

Det är ett ytterligare ändamål med uppfinningen att anvisa en anordning för smältskarvning av optiska fibrer med hjälp av laserljus, vilken innefattar adekvata säkerhetsanordningar för ljus- strålen.

Sålunda används för att skarva ihop optiska fibrer ljus från en COg-laser, i vilken en speci- ellt vald arbetsvåglängd används. Närmare bestämt används ljus med en våglängd i det nedre inf- raröda området, där absorptionen av värme av glasmaterialet i typiska optiska fibrer är tillräcklig stor. För smältskarvning används företrädesvis en CO2-laser, som drivs vid en våglängd av 9,3 um, varvid denna våglängd är vald för att ge en absorption, som är större och har mindre bero- ende av smärre variationer hos våglängden än för en CO2-laser, som såsom konventionellt arbetar vid våglängden 10,6 um. Våglängden 9,3 um ger en nästan maximal absorption för många glas- material. Till följd av den stora absorptionen kan lasern ha minskad effekt och laserljuset kan alstras med mindre intensitet. Därför en sådan laser lägre framställningskostnader och den är också lättare att hantera från säkerhetssynpunkt.

Vidare kan det område vid den skarv, som skall framställs mellan de två fibrer, vilka skall skarvas ihop, placeras väl utanför den direkta huvudstrålen från lasern. Detta möjliggörs genom att avböja laserstrålen med hjälp av en konkav spegel, som t ex har en nästan paraboloidisk form, vilken får laserstrålen att konvergera i riktning mot skarven, så att därigenom samtidigt effekttät- heten hos strålen vid områden intill skarven ökas. Ingen annan modifiering eller formning av strålen är nödvändig för att uppnå en tillräcklig storlek hos det belysta området från laserstrålen vid skarven. Detta ger laserskarvningsapparaten en enklare uppbyggnad järnförd med COz-laser- apparater enligt den kända tekniken.

FIGURBESKRIVNING Till följande figurer hänvisas i den följande beskrivningen av särskilda utföringsforrner givna endast såsom exempel och figurerna skall inte betraktas som varande begränsande. I figu- rerna är: - Fig. l ett diagram över transmittansen hos glasmaterialet i några typiska optiska fibrer för ljus som en funktion av våglängden inom våglängdsområdet 2,5-25 um.

- Fig. 2 är ett diagram över energin som funktion av kvanttalet hos vibrationsnivåer i COg-mole- kylen, varvid diagrammet särskilt visar möjliga laserövergångar.

- Fig. 3 är en schematisk bild av det optiska systemet i en laserskarvningsapparat för inriktning av ljusstrålen och utsändande av denna.

- Fig. 4 är en schematisk översiktlig bild av det optiska systemet i en laserskarvningsapparat. 10 15 20 25 30 | c o a - o I I ° ' U' o 522 255 5 n un. u - Fig. 5 är ett blockschema över styrsystemet i en laserskarvningsapparat.

- Fig. 6 är ett diagram över lasereffekt och förflyttning av fiberändar som funktion av tiden, var- vid diagrammet visar de i följd utforda steg, vilka används i en laserskarvningsapparat, vilken är inställd att arbeta med skarvningsparametrar för att skarva ihop SM-fibrer med varandra.

DETALJERAD BESKRIVNING Transmissionsvägama for ljusstrålar i en smältskarvningsapparat, vilken använder sig av la- serljus för att uppvärma ändar hos de fibrer, vilka skall skarvas ihop med varandra, visas i fig. 3.

En COz-laser 109 avger en direkt kollimerad ljusstråle 20 med en diameter i området 2 - 4 mm, företrädesvis väsentligen 3 mm. En strålkombinerare 28 innefattande en halvgenomskinlig spegel är placerad i den direkta ljusstrålen från COz-lasern och möjliggör, att ljus i den direkta ljusstrå- len kan passera väsentligen opåverkad därigenom. Ljuskombineraren 28 har en inre reflekterande yta, som är belägen i en vinkel av 45° i förhållande till den direkta laserljusstrålen. Den i en vin- kel belägna ytan reflekterar ljus från en utpekande ljuskälla såsom en laserdiodanordning 24, så att detta för inriktningsändarnål passerar i mitten av och parallellt med ljusstrålen från COz-la- sem. De direkta ljusstrålama, som utsänds av den utpekande ljuskällan 24 och COz-lasern 9, är sålunda vinkelräta mot varandra och lutningsvinkeln hos den reflekterande ytan eller den halvge- nomskinliga spegeln inuti strålkombineraren 28 i förhållande till de direkta ljusstrålarna är 45°.

Den direkta av COg-lasern utsända ljusstrålen 20 fortsätter mot och träffar en spegel 10, som har en konkav yta med nästan paraboloidisk form. En lämplig utformning av spegeln är en så kallad paraboloidisk spegel med axelförskjutning, som har två optiska huvudaxlar, en strålmittaxel och en avböjd strålaxel. Vinkeln 0 mellan dessa två axlar är fastlagd genom utformningen. I detta sammanhang är en optimal inriktning for en paraboloidisk spegel med axelförskjutriing, när strålmittaxeln sammanfaller med den längsgående axeln hos den infallande kollimerade ljusstrå- len från COg-lasem. Såsom avbildas i fig. 3, reflekteras både den infallande COz-laserstrålen och den ljusstråle, som härrör från laserdiodanordningen 24, längs den avböjda strålaxeln. Dessa ljus- strålar konvergerar sedan mot ett fokus, vilket är beläget på något litet avstånd, t ex några, 3 - 4, centimeter från den kollimerade direkta ljusstrålen 20, som utsänds av COg-lasern, och är också belägen på något litet avstånd, t ex i området av 3 - 4 cm från spegeln l0. Bortom brännpunkten fortsätter de konvergerande strålarna och bildar divergerande strålknippen. Den observerade dia- metern hos den belysta fläcken från det reflekterade strålknippet från COg-lasem beror på avstån- det mellan fläcken och ytan hos spegeln l0.

Fig. 4 är en schematisk översiktlig bild av det optiska systemet i en laserskarvningsanord- ning. I fig. 4 är den konkava spegeln 10 den enda synliga komponent, som också är ritad i fig. 3.

Spegeln, som tex kan vara en paraboloidisk spegel med axelforskjutning, såsom ovan angetts, 10 15 20 25 30 | ø n u . u | u ø u »o 522 255 6 ses vara belägen vid sidan av de fiberändar, som skall hopskarvas. En korrekt inställning av spe- geln 10 kring dess optiska axel 35 kan uppnås med hjälp av en noggrant styrbar spegelhållare 5.

Detta får den infallande ljusstrålen att reflekteras av den konkava spegeln på sådant sätt, se fig. 3, att ett lärnpligt svetsläge 30 för ändarna hos de optiska fibrerna 1, 1' är inställt något litet vid si- dan av, t ex vid ett relativt litet avstånd från, brännpuriktsorrirådet hos COz-laserstrålen. Diarne- tern hos den belysta fläcken från strålen inställs, så att den är i området 300-500 um vid svets- stället 30, så att ett ornråde erhålls, vilket homogent uppvärrns av laserstrålen taget i både tvärgå- ende och längsgående riktningar för de fiberändar, som skall hopskarvas med varandra. Avböj- ningsvinkeln för COz-laserljusstrålen, dvs vinkeln mellan den längsgående axeln hos den direkta infallande ljusstrålen och mittstrålen genom fokalområdet hos den konkava spegeln styrs också av spegelhållaren 5. Om en paraboloidisk spegel med axelförskjutning används, är en optimal av- böjningsvinkel, som motsvarar en så skarp brännpunkt som möjligt, lika med vinkeln 0. Ett lärnpligt värde på avböjningsvinkeln är i området 45 - 75° och företrädesvis väsentligen 60° för den optimala vinkeln. Vid denna vinkel kan avståndet mellan den längsgående axeln hos den di- rekta infallande strålen 20 från COg-lasern och svetsläget 30 varat ex omkring 40 mm.

För att styra inriktningsförfarandet för ljusstrålen härrörande från COg-lasern 109 används det kollimerade ljuset från den utpekande ljuskällan 24 för att visa vägen hos laserns osynliga ljusstråle. Den utpekande lj uskällan innefattar en laserdiod, ej visad, som utsänder t ex synligt rött ljus vid en våglängd av omkring 650 mm. Såsom har beskrivits ovan, riktas ljuset från den utpe- kande ljuskällan rätt in i den direkta ljusstrålen från COz-lasern 109 via strålkombineraren 28, som kan vara gjord av zinkselenid, och fortplantas mot den konkava spegeln 10, vid vilken den reflekteras och riktas mot skarvningsstället 30 för de fibrer 1, 1', som skall hopskarvas. Den geo- metriska formen hos ljusstrålen från den utpekande ljuskällan 24 är överallt väsentligen samma som den geometriska formen hos ljusstrålen från COg-lasern, dvs efter att ha reflekterats av strål- kombineraren 28, är ljusstrålen från den utpekande ljuskällan koaxiell med den direkta kollime- rade ljusstrålen 20 från COg-lasern och dess tvärsnitt är väsentligen detsamma som tvärsnittet hos ljusstrålen 20. När inriktningsljusstrålen från den utpekande ljusskällan 24 används, stängs först CO2-laserstrålen av, så att inriktningen kan utföras på säkert sätt vid låg optisk effekt. När sedan COg-lasern åter är påkopplad, kan samma belysta fläck förväntas vid de optiska fibrerna 1, 1', som skall hopskarvas, vid skarvningsläget 30 utan någon ytterligare justering.

Såsom är konventionellt och ses i fig. 4, innefattar det optiska systemet hos en laserskarv- ningsapparat för inriktning av fiberändarna med varandra och bildanalys två ljusutsändande dio- der, LEDzer 40, två linser 50, två speglar 60 och en strålkombinerare 70. LED:erna 40 används för belysning av skarvningsområdet 30 mellan de två optiska fibrer 1, 1', som skall hopskarvas. 10 15 20 25 30 . . n . . Q n - n n n. n 522 255 7 De är vidare anordnade att utsända sitt ljus i två mot varandra vinkelräta riktningar och också vinkelrätt mot fibrernas längdriktning. Efter att ha passerat fibrerna 1, 1' fokuseras ljuset från LED:erna och kollimeras av de två linsema 50. Ljusstrålania avböjs sedan av två speglar 60, rik- tas mot strålkombineraren 70 och träffar en laddningskopplad anordning, en CCD-kamera 80.

Det bildbehandlande systemet innefattar CCD-kameran 80, som innefattar en yta med ljus- känsliga element, och ett videokort 120 med motsvarande styrprogram. De kalla och varma bil- derna, som motsvarar de av LED:erna belysta fibrerna och ej uppvärmda respektive uppvärmda av laserstrålen upptas sålunda via videokortet 120 och processorgränssnittskortet 135 och avges till en processor 140, som i detta speciella fall används for bildanalys och bildbehandling men annars också används för styrning av smältskarvningsforfarandet. De behandlade bilderna visas på en TV-skärin 145. Med hjälp av intelligent mjukvara utvinns och analyseras den information, vilken krävs for inriktning av fibrerna, till exempel läget hos fiberändarna, fibrernas orientering, förskjutning mellan fibremas kämor respektive mantlar etc., och den information, vilken erford- ras for realtidsstyming av smältskarvningsförfarandet, se t ex W. Zheng, "Real time control of arc fiision for optical fiber splicing", IEEE J. Lightwave Tech., vol. 11, nr 4, pp. 548 - 553, 1993, och också den information, vilken behövs for skattning av skaivens förlust. De analyserade resultaten sänds till styrsystemet for att utfora olika uppgifter i smältskarvningsförfarandet.

Fig. 5 är en schematisk vy av styrsystemet 100 for den mekaniska och elektriska inställ- ningen av olika beståndsdelar, innefattande beståndsdelar använda i smältskarvningsförfarandet. I skarvningsapparaten finns två hållare 105, i vilka fibrernas 1, 1' ändpartier är placerade och sta- digt fasthålls under skarvningsforfarandet. Hållarna kan sålunda forflytta fibrerna i tre vinkelräta koordinatriktningar. l-Iållarna är monterade på lämpliga mekaniska styrningar, som drivs av mo- torer 108, vilka styrs av mikroprocessom 140 via ett drivkort 120 och gränssnittet 135. Fibrerna 1, 1' belyses omväxlande från två vinkelräta riktningar av LED:erna 40 och såsom redan har dis- kuterats ovan, upptas bilder med hjälp av CCD-kameran 80 och sänds till videokortet 120, från vilket de analoga signalerna omvandlas till digitala signaler i gränssnittskort 135 for att sedan be- handlas vidare av mikroprocessorn 140. TV-skärmen 145 används for att visa direkta och bear- betade bilder.

De automatiserade procedurerna vid smältskawning, t ex att inrikta två fibrer 1 och 1', att inställa de ömsesidiga gränserna för två försmälta, precis mjukgjorda fiberändar, att dra fiberän- dama något ifrån varandra under skarvningsförloppet, etc., är synkroniserade med ef- fekt-/energistyrningen av COg-lasern.

Laserverkan hos COz-lasern 109 kan på fördelaktigt sätt uppnås med hjälp av transversell plasmaexcitering inuti laserkaviteten med hjälp av pulser hos en radiofrekvensbärvåg av cirka 45 10 15 20 25 30 n u v n - o | o - ø no n 522 255 8 nu. n MHz. Laserstrålens effekt-/energistyrning erhålls med hjälp av pulsviddsmodulering, PWM, av radiofrekvensbärvågen. Baserat på de karaktäristiska storheterna och de inställda parametrarna hos smältskarvningsförfarandet alstras en följd modulerade signaler av mikroprocessorn 140 och sänds till laserdrivkretsen 130 via processorgränssnittskorten 135 och en digital-till-analog-om- vandlare, DAC, 132. Dessa signaler används för att slå av och på COg-lasern vid tidsintervall, som är synkroniserade med de automatiserade smältskarvningsförfarandena. Genom att inställa den procentuella tidsandelen när lasern är påslagen, dvs, "dutycyklerna" hos pulsviddsmodule- ringen, bestäms den avgivna effekten och energin hos laserstrålen, t ex kan en utgängssignal av 2 volt från DAC:en 132 motsvara 20% hos "dutycykeln" vid pulsviddsmoduleringen. Den ytterli- gare "excitationssignalen" med en klockfrekvens av 5 - 20 kHz sänds också till laserdrivkretsen 130 för förjonisering av COz-molekylerna. Pulsbredden hos "excitationssignalen" är cirka l ps.

"Excitationssignalen" exciterar COZ-molekylerna till ett plasmatillstånd utan att detta ger upphov till någon laseremission, eftersom pulsbredden är precis under lasertröskeln, varvid det typiska värdet för den tröskel, som erfordras för laseremission är cirka 3 ps. Detta särdrag säkerställer ett så gott som ögonblickligt lasersvar på den ovan diskuterade omkopplingssignalen, med en för- dröjning mindre än t ex 50 ms.

Det finns två laserövergångar mellan vibrationsnivåer hos COz-molekylen, se fig. 2. Över- gången från den syrnrnetriska töjningsmoden (0,0,l) till en asymmetrisk töjningsmod (1,0,0) re- sulterar i laserverkan vid 10,6 pm, medan den andra övergången från den symmetriska töjnings- moden (0,0,l) till böjningsmoden (0,2,0) ger laserverkan vid 9,4 pm. Företrädesvis används en COz-laser med en arbetsvåglängd av cirka 9,3 pm för skarvnirig. Valet av laservåglängden 9,3 pm möjliggörs genom en lämplig optisk och mekanisk utformning av laservågledaren och också genom att välja en lämplig gasblandning av koldioxid, kväve och helium för lasern. Eftersom våglängden 9,3 pm är belägen i mitten av absorptionsbandet för kiseldioxidglas, se fig. l, kan nackdelar med att använda ljus med våglängden 10,6 pm övervinnas eller åtminstone starkt mins- kas. Från fig. 1 kan man klart se, att absorptionen är näst intill konstant för små variationer hos våglängden omkring våglängden 9,3 pm för de typer av fibrer, vilkas transmissionsspektra visas.

Absorptionen ökar också väsentligt från 15 - 30% upp till 70 - 90% för olika typer av fibrer, när ljus med våglängden 9,3 pm används i stället för ljus med våglängden 10,6 pm. Detta medför, att kraven på laserkällan, till exempel dess effektnivå, effektstabilitet, liten våglängdsavvikelse, etc., minskas väsentligt.

Jämförande experiment har utförts beträffande trösklar för skador, den minimala energi/effekt, vilken erfordras för att åstadkomma en mikrospricka i manteln hos en betraktad optisk fiber, när COz-lasrar används, vilka drivs vid 10,6 pm respektive 9,3 pm, för olika fiberty- 5 10 15 20 ø s n o | ø n ~ ø I oc n 522 255 u v un. o per. Resultaten sammanfattas i tabell 1 och 2: Tabell 1. Prov för bestämning av tröskel för skador vid användning av en COg-laser med våg- längd 10,6 pm Fibertyper Belyst fläck Effekttäthet Tröskel för skador (Manmi av 125 tim) (tim) (W/mmz) (J/mm2) X io” Enkelmodsfiber 1 80 280 42 Erbiumdopad fiber 180 280 42 Coming LEAF 180 280 42 Tabell 2. Prov för bestämning av tröskel för skador vid användning av en COg-laser med våg- längden 9,3 um Fibertyper Belyst fläck Effekttäthet Tröskel för skador (Marmi av izs tim (tim) (W/mmz) (J/mmz) X io* Enkelmodsfiber 180 140 15,5 Erbiumdopad fiber l 80 140 14 Coming LEAF 180 140 23 Dessa värden och absorptionsdata visar, att värmeeffektiviteten ökas för olika typer av op- tiska fibrer med åtminstone en faktor 4 vid järnförelse av en COg-laser driven vid våglängden 9,3 um med en COg-laser driven vid våglängden 10,6 um. Således kan laserns dimensioner också minskas med ungefär en faktor 4, eftersom laserns längd är proportionell mot den totala avgivna effekten, förutsatt att tvärsektionen hos gasningsområdet för laserexcitation bibehålls lika stort.

När därför en COg-laser används, vilken drivs vid våglängden 9,3 um, för att alstra en ljus- stråle för uppvärmning av skarvningsläget mellan optiska fibrer kan också lasersmältskarvnings- apparaten uppbyggas, så att den totalt sett får mindre dimensioner.

Det är känt, att laserstrålning allmänt är mycket farlig för märmiskor, tex ögon och hud.

Det föreligger inget undantag från detta vid våglängden 9,3 um. I den här föreslagna skarvnings- apparaten avslutas/stoppas laserstrålen av en stråldämpare 25 av grafit för att förhindra att direkt och spridd lasersträlning framträder för operatörer, se fig. 3 och 4. Strålningsdämparen 25 är be- lägen i ljusstrålens divergenta parti, i vilket den optiska belysta fläckens storlek har en diameter av cirka 1 mm, efter den konkava spegeln 10 och fiberskarvningsläget 30, och den är fast vid ett kylelement av metall, ej visat, för värmeavgivning. I laserstrålens aktiva ornråde, dvs i skarv- nings- eller smältområdet 30, är strålen fullständigt instängd av ett i sig självt ingripande system 10 15 20 25 30 522 255 10 s un. u innefattande både mekaniska och elektriska luckor för strålen, ej visade. Indikatorer, ej visade, kan också finns monterade, som anger huruvida strålen är påslagen eller ej påslagen, och kan vi- dare ange, att interna elektroniska kretsar inte fungerar, t ex styrkretsarna för lasern.

Fig. 6 är ett schematiskt diagram, som visar lasereffekten och avståndet mellan fiberän- darna i en typisk följd av behandlingssteg, vilka används för att skarva ihop två enkelmodsfibrer (SM-fibrer) med varandra. Efter det att två SM-fibrer har placerats i hållarna 105, utförs ett förfa- rande med grovinriktning, varvid fiberändarna förflyttas in i hopsmältningsornråden, så att de får sina ändytor belägna på ett förutbestämt avstånd från varandra. En laserstråle med relativt låg ef- fekt tänds under 0,3 sekunder för att avlägsna eventuellt mikrodamm, vilket finns kvar på fiber- ändarnas ytor. Under det att kalla bilder enligt diskussionen ovan analyseras, förflyttas fiberän- darna mot varandra, tills en kontaktpunkt bestäms. Kontaktpunkten definieras genom en minsk- ning av 50% av ljusintensiteten mellan fibrernas ändytor. Sedan utförs en fininriktning för att mi- nimera förskjutningen mellan kärna/mantlar hos de båda fiberändaina, varefter ändarna förflyttas bort från varandra till ett förutbestämt läge med ett mellanrum av typiskt 50 um, för att ta bort hysteres i det mekaniska systemet. En laserstråle med låg effekt anbringas sedan för föruppvärm- ning, så att fiberändarna blir mjuka och något deforrneras. Samtidigt bringas ändarna åter att närma sig varandra och efter någon tid kommer de lätt deformerade ändarna att återigen beröra varandra. Efter en mycket kort tid när området hos den gemensamma skiljeytan mellan de i kon- takt med varandra stående ändarna blir tillräckligt stor, startas sedan ljusstrålen för smältskarv- ning. Den typiska lasereffekten och den typiska tidslängden för smältskarvning är cirka l W re- spektive 1 sekund, varvid lasereffekten allmänt är i området 0,8 - l W.

Höga prestanda kan förväntas, när den här beskrivna skarvningsapparaten används för att skarva ihop SM-fibrer av standardtyp. Låga skarvförluster, 0,03 dB i genomsnitt, kan experi- mentellt uppnås genom en omsorgsfull optimering av smältskarvningsförfarandet och smält- skarvningsparametrarna.

En fördel, som är förbunden med den optiska utfornmingen i det föreliggande systemet, är att ingen alltför stor eller alltför omfattande vidgning/breddning av strålen och forrnning av ljus- strålen erfordras, vilket annars kan förorsaka en ej nödvändig optisk dämpning av lj usstrålen. Den enda strålformande operation, som utförsför COz-lasern 109, är den strålforrnning, som åstad- koms av den konkava spegeln 10, med hjälp av vilken den belysta fläcken vid skarvningsläget kan varieras vad gäller sin storlek och plats genom den oberoende ändringen av de tre koordina- terna för denna spegel, tagen i förhållande till tre vinkelräta axlar, av vilken en kan vara parallell med längdaxeln hos den kollimerade direkta ljusstrålen från COz-lasern. Skarvningsläget kan så- lunda vara placerat väl utanför eller på sidan om den direkta strålen, vilket är en stor fördel från 5 2 2 2 5 5 Éïïí - If; - f? 'T :una o ll säkerhetssynpunkt. Från diskussionen ovan är det också uppenbart, att kraven på lasereffekt i det föreliggande systemet vid våglängden 9,3 um är mycket mindre än vid våglängden 10,6 um och att kraven är minskade åtminstone med en faktor fyra. Det finns också en fördel vad gäller säker- heten, såsom redan har närnnts, och också eftersom lasern nu kan göras mycket kompaktare och mindre. Eftersom ljusstrålen erfar för mindre optisk dämpning i den ovan beskrivna skarvnings- apparaten, kan vidare också ljuskällan för indirekt inriktning av COQ-laserns strâle, vilken är in- nehållen i laserdiodanordningen 24, vara en mycket kompakt halvledarlaser med mycket låg ef- fekt, som utsänder rött ljus inom det synliga våglängdsorrirådet.

Claims (24)

5 10 15 20 25 30 522 255 l 7. PATENTKRAV u o ~ n av n

1. Anordning för smältskarvning av ändar av två optiska fibrer med varandra innefattande: - hållare for optiska fibrer anordnade att fasthålla ändar hos två optiska fibrer med deras ändytor placerade vid varandra i ett skarvningsläge, - en COg-laser, som utsänder ljus till skarvningsläget, kännetecknad av en spegel med krökt konkav yta, som är placerad att avböja en kollimerad di- rekt ljusstråle, vilken utsänds av COz-lasern i riktning mot skarvningsläget, och att bringa denna att konvergera mot en brärmpunkt i skarvningslägets riktning, varvid skarvningsläget är placerat på avstånd från den kollimerade direkta ljusstrålen.

2. Anordning enligt krav 1, kännetecknad av att den konkava spegeln och hållama är anordnade, så att skarvningsläget är beläget på relativt litet avstånd från en brännpunkt hos den kollirnerade direkta ljusstrålen, efter det att denna har reflekterats av den konkava spegeln.

3. Anordning enligt något av krav 1- 2, kännetecknad av att ytan hos den konkava spegeln har en tillnännelsevis paraboloidisk forrn.

4. Anordning enligt något av krav 1- 2, kännetecknad av att den konkava spegeln är av ty- pen paraboloidisk spegel med förskj uten axel.

5. Anordning enligt något av krav 1 - 4, kännetecknad av att emissionsvåglängden hos COg-lasern är väsentligen 9,3 um.

6. Anordning enligt något av krav 1 - 5, kännetecknad av att diametern hos den kollime- rade direkta laserljusstrålen, vilken utsänds av COg-lasern, äri området 2 - 4 mm.

7. Anordning enligt krav 6, kännetecknad av att diametern hos den kollimerade direkta laserljusstrålen, vilken utsänds av COz-lasern, är väsentligen 3 mm.

8. Anordning enligt något av krav 1 - 7, kännetecknad av att den maximala effekten hos COg-lasern är i området 0,8 - 1 W.

9. Anordning enligt något av krav 1 - 8, kännetecknad av att den vinkel 9, med vilken den kollimerade direkta ljusstrålen från COg-lasern avböjs av den konkava spegeln, är i området 45- 70°, särskilt väsentligen 60°.

10. Anordning enligt krav 9, kännetecknad av att den vinkel 9, med vilken den kollime- rade direkta ljusstrålen från COz-lasern avböjs av den konkava spegeln, är väsentligen 60°.

11. Anordning enligt något av krav 1 - 10, kännetecknad av att den kollimerade direkta ljusstrålen, som utsänds av COg-lasem, fokuseras av den konkava spegeln till en punkt 30 - 50 mm framför den konkava spegeln.

12. Anordning enligt något av lqav 1 - 11, kännetecknat av att avståndet mellan mittpunk- ten hos den belysta fläcken vid skarvningsläget och en mittaxel hos den kollimerade direkta ljus- 10 15 20 25 30 ø - v v nu n 522 255 /3 mo: o strålen, som utsänds från COg-lasern, är i området 30 - 40 mm, särskilt väsentligen 40 mm.

13. Anordning enligt krav 12, kännetecknat av att avståndet mellan mittpunkten hos den belysta fläcken vid skarvningsläget och en mittaxel hos den kollimerade direkta ljusstrålen, som utsänds från COg-lasem, är väsentligen 40 mm.

14. Anordning enligt något av krav 1 - 13, kännetecknad av att diametern hos den belysta fläcken, som alstras av ljus utsänt från COg-lasem och avböjs av den konkava spegeln, i skarv- ningsläget är i området 300 - 500 um.

15. Anordning enligt något av krav 1 - 14, kännetecknad av en stråldärnpande anordning, som är placerad for att mottaga och absorbera det ljus, som avböjs av den konkava spegeln och har passerat skarvningsläget.

16. Anordning enligt krav 1, kännetecknad av en utpekande ljuskälla som utsänder ljus, vilket formas och riktas for att bilda en ljusstråle, som är belägen och formad väsentligen på samma sätt som den kollimerade direkta ljusstrålen, vilken utsänds av COz-lasern, dvs är koaxiell med denna och har väsentligen samma tvärsnitt.

17. Anordning enligt krav 16, kännetecknad av att den utpekande ljuskällan innefattar en laserdiod, som utsänder ljus inom det synliga området.

18. Anordning enligt krav 17, kännetecknad av att arbetseffekten hos laserdioden är i området 5 - 10 mW.

19. Anordning enligt något av krav 16 - 18, kännetecknad av en halvgenomskinlig eller halvreflekterande spegel, som är placerad, så att den kollimerade direkta ljusstrålen, vilken ut- sänds av COg-lasem, passerar genom spegeln, och som riktar ljus från den utpekande ljuskällan, så att detta blir koaxiellt med den kollimerade direkta ljusstrålen.

20. Förfarande för smältskarvning av ändar av två optiska fibrer med varandra, känneteck- nat av följ ande efter varandra utförda steg: - att inrikta ändarna, så att de får sina ändytor nära eller i nära kontakt med varandra vid ett skarvningsläge, - att bilda och rikta en kollimerad direkt ljusstråle, som utsänds av en COz-laser, for att bilda en lämplig belyst fläck vid skarvningsläget, varvid formningen och riktandet utfors genom att obser- vera ljus, vilket utsänds av en utpekande ljuskälla, varvid detta ljus har väsentligen samma belä- gen och geometriska egenskaper hos sin stråle som den kollirnerade direkta ljusstrålen, vilken ut- sänds av COZ-lasern, - att belysa skarvningsläget med hjälp av den formade och riktade kollimerade direkta ljusstrålen, som utsänds av COg-lasern.

21. Förfarande enligt krav 20, kännetecknat av att i steget med att forma och rikta den 10 15 522 rv nu n n o n as .u c v n of »nu o ß* * nu :n vv n e u v a o a ufo I o ~ | u u u o u f» kollimerade direlda ljusstrålen, som utsänds av COg-lasern, formas och avböjs den kollimerade direkta ljusstrålen genom att reflekteras mot en spegel, som har en konkav yta med tillnärrnelse- vis paraboloidisk form.

22. Förfarande enligt något av krav 20 - 21, kännetecknat av att i steget med att forma och rikta den kollimerade direkta ljusstrålen, som utsänds av COg-lasern, formas och riktas den kol- limerade direkta ljusstrålen, så att den får en brännpunkt, vilken är belägen på ett relativt litet av- stånd från skarvningsläget.

23. Förfarande enligt något av krav 20 - 22, kännetecknat av att i steget med att forma och rikta den kollimerade direkta ljusstrålen, som utsänds av COz-lasem, formas och riktas den kol- limerade direkta ljusstrålen, så att den får en belyst fläck vid skarvningsläget, vilken fläck är pla- cerad på avstånd från den kollimerade direkta ljusstrålen.

24. Förfarande enligt krav 21, kännetecknat av att i steget med att forma och rikta den kollimerade direkta ljusstrålen, som utsänds av CO2-lasern, formas och riktas den kollimerade di- rekta ljusstrålen genom att reflekteras mot en konkav spegel med tillnärrnelsevis paraboloidisk form.