SE525441C2 - Bestämning av modfältsdiameter och skarvningsförlust för optiska fibrer - Google Patents

Description

25 30 35 5 2 5 4 4 1 i: - 2.22; - ;- 2 När en optisk fiber uppvärms av en elektrisk ljusbåge, kan det ljus, som termiskt emitteras från fibems kärna och mantel, observeras med hjälp av ett optiskt avbildningssystem, som alstrar en så kallad varmbild. Eftersom halten av dopärnnen i fibems käma är betydligt högre än halten i manteln, ger det från käman utsända ljuset en topp i ljusintensitetsprofilen för en varmbild. Kär- nans tjocklek sett i bilden ökar avsevärt, när dopärnnen diífunderar ut från kärnan. Ökningen av toppens bredd är i hög grad korrelerad med förstoring av modtältsdiametem (MFD) hos fibem för en given eller betraktad ljusvåglängd. Denna korrelation kan bestämmas experimentellt vid väldefinierade skarvningsförhållanden för varje given fibertyp. Ur denna kan genom rekonstruk- tion av skarvningsförhållanden, dynamiska förändringar av en fibers MFD bestämmas för den be- traktade våglängden under skarvningsförfaranden genom att analysera varmbilder.

KORT F IGURBESKRIVNING Uppfinningen skall nu beskrivas såsom ej begränsande utföringsforrner med hänvisning till bifogade ritningar, i vilka: - Fig. 1 är ett diagram över uppmätt MFD hos en optisk fiber av typen SMF28 för två vinkelräta riktningar och för en våglängd av 1550 nm, - F ig. 2 är ett diagram över MFD för en optisk fiber av typ SMF28 som funktion av varaktigheten av uppvärmningstiden, - Fig. 3a är ett fotografi av varmbilder för en optisk fiber av typ SMF28, för vilket varmbildema är tagna i två vinkelräta riktningar och placerade ovanför varandra och en ljusintensitetsprofil ta- genilängdfikmrngenärinfiradifomgfafier, i ¿ Fig. 3b är ett fotografi liknande fig. 3a, i vilket ljusintensitetsprofiler i vinkelräta riktningar är inritade, - Fig. 4a är ett fotografi liknande fig. 3a, - Fig. 4b är ett fotografi lilmande fig. 4a för en optisk fiber av typ SMF28, som har uppvärmts under 3 minuter i en elektrisk ljusbåge med en smältström av ll mA, - Fig.» 5 är ett diagram över ljusintensitetsfördelningar, som är tagna i tvärgående riktningar och är härledda ur fotografierna i fig. 4a och 4b, _ - Fig. 6 är ett diagram över kärnans bredd hos en optisk fiber av typ SMF28 som funktion av var- aktigheten av uppvärmningstiden, .

- Fig. 7 är ett diagram över modfältsdiametern hos en optisk fiber av typ SMF28 som funktion av kärnans tjocklek, - Fig. 8 är ett flödesdiagrarn, som visar allmänna steg, vilka utförs vid bestämning av rnodfiltsdi- ametern för en optisk fiber, - Fig. 9a är en schematisk bild av en anläggning' för smältskarvning av två optiska fibrer med var- andra, som också kan användas för att uppvärma en enda optisk fiber, 10 20 25 35 5 2 5 4 4 1 §II= _š=':a;¿¿; . _ 3 - Fig. 9b är en schematisk bild liknande bilden i fig. 9b, som också visar vissa komponenter i elektroniska styrkretsar.

DETALJERAD BESKRIVNING Det är känt, att uppvärmning av en optisk fiber kan få dopämnen såsom germanium att diffimdera ut från fiberns kärna till ñberns mantel, vilket i sin tur kan förstora den optiska fibems modfältsdiameter. Den hastighet, med vilken modfáltsdiarnetem ñrstoras, beror inte enbart på halten och sammansättningen av dopänmen i kärnan utan också på uppvärmningstemperatur, uppvärmningstid och uppvärmningsområde. Effektiva förfaranden för att förstora modfältsdia- metern innefattar förfaranden med uppvärmning med en låga erhållen med hjälp av syre eller vät- gas och smältförfaranden, vid vilka en elektrisk ljusbåge eller en laserstråle används.

I det här beskrivna förfarandet uppvärms den optiska fibem direkt av en elektrisk ljusbåge, som alstras mellan ett par elektroder. Närmare bestämt har en smältskarvningsapparat FSU995 använts, som tillverkas av Ericsson. I fig. 9a visas den grundläggande uppställningen i en typisk automatisk optisk fiberskarvningsanordning. Två optiska fibrer 1, 1' har sina ändområden place- rade mellan spetsar hos elektroder 3, mellan vilka en elektrisk urladdning 5 alstras för uppvärm- ning av fibrernas ändar, varvid den elektriska urladdningens intensitet styrs av den elektriska strömstyrkan mellan elektroderna 3. Ett optiskt system, som symboliskt visas av linser 7, avbildar i två vinkelräta riktningar fibremas ändområden på det ljuskänsliga området 9 hos en kamera, t ex en platta med CCD-element, varvid ljuset från de vinkelräta riktningarna avböjs av speglar ll och sammanförs i en ljuskombinerande anordning eller ljusuppdelare 15. Ett digitalt bildbehand- lingssystem 15 mottar och bearbetar de elektriska signalerna från det ljuskänsliga området 9 och övervakar därigenom de använda fibrema och skarvningsförfarandet genom att styra positione- ringsanordningar för fibrema och strömstyrkan mellan elektrodema. Bildbehandlingssystemet är förbundet med en bildskärm eller ett visningselement l7 för att t ex visa de två bildema. Sålunda kan såsom visas i figuren en visad bild visa skarvningsläget mellan fibremas ändar sett i de två vinkelräta riktningama, så att de två vyema är belägna ovanför varandra.

I den schematiska bilden i fig. 9b visas några fler elektriska detaljer hos en ñberskarvníngsanordning av automatisk typ. Sålunda har skarvningsanordningen fixturer eller hållare 21, i vilka ändpartier av fibrema 1, 1' är placerade och stadigt fasthållna under positione- ringen och skarvningen. Hållarna är rörliga i tre vinkehäta koordinatrikmingar både parallellt med fibremas längdriktriing och i två vinkelräta mot denna riktning. Hållarna 21 för- flyttas sålunda längs ej visade mekaniska styrningar av styrmotorer 23. Elektriska ledningar till elektroderna 3 och motorerna 20 går från en elektronisk kretsmodul 25, från drivkretsar 27 re- spekfive 29. Från Tv-kamefan 9 finns en elektrisk ledning nu en videogfänssniu 31 i den .elekt- riska kretsmodulen 25, fi-ån vilket en lämplig bildsignal avges till den bildbehandlande och bild- 10 15 20 25 30 35 - 525 441 4 analyserande enheten 15. De olika förfarandestegen styrs av en styrkrets 33, t ex en lämplig mik- roprocessor. Styrkretsen 31 utför de ovan nämnda förfarandestegen och styr sålunda förflytt- ningen av fibremas ändar i förhållande till varandra genom att aktivera motorerna 23 i lämpliga förflyttriingsriktrringar och avger signal till den bildbehandlande och bildanalyserande enheten 15 för att påbörja en analys av en upptagen bild. Vidare styr styrkretsen 33 den tidpunkt, när en smältström skall börja att avges till 'elektrodema 5, och den tidsperiod, under vilken denna ström skall avges, och strömstyrkan.

När de optiska fibrerna 1, 1' uppvärms av den elektriska ljusbågen 5, kan den värmestrál- ning, vilken utsänds från de uppvärmda fiberpartiema och från lufiurladdningen, iakttas med hjälp av videokameran 9 och analyseras med hjälp av det digitala bildbehandlingssystemet 15 hos skarvningsanordningen. Eftersom den iakttagna ljusintensitetsfördelningen är direkt korrelerad med emissionen av ljus och den största emissionen är från de områden, som har den högsta tem- peraturen, dvs. i första hand ljusbågen och i synnerhet fasta föremål befintliga inom ljusbágen, kan information rörande placeringen av ljusbågen och dennas rörelse erhållas genom. att observe- ra och noggrant analysera ljusintensitetsfördelningen.

Smältskarvningsapparaten enligt fig. 9a och 9b kan likaledes användas för att uppvärma lo- kalt en enda optisk fiber. Den optiska fibem placeras då i hållarna 21, så att det område av den optiska fibern, vilket skall uppvärmas, placeras mellan hållama och mellan elektrodemas 3 spet- sar, varvid detta läge också kallas skarvläget.

För en enda optisk fiber kan det effektiva smältområde, från vilket varmbilder kan iakttas, ha en längd av 300 um längs fibems axel. Temperaturen i smältområdet bestäms av srnältström- men, som i det typiska fallet är 6 - 16 mA, vilket motsvarar smälttemperatrirer av ca 1200 - 2000° C. Den i utförda 'experiment använda fibem är en standardfiber av singelmodstyp (SMF), SMFZSW, som tillverkas av Coming. Spänningen i fibem bibehålls oförändrad, dvs. utan någon dragning eller framskjutning av fibem under smältningsförfarandena, där fiamskjutning innebär, att fibem skulle tryckas ihop i sin axiella riktning, såsom när en "överlappning" åstadkoms vid vanlig smältskarvning. För att undanröja inverkan av ytterligare faktorer, som kan påverka MFD- mätningarna, t ex deformation av manteln, geometriska variationer hos fibem, t ex variationer hos avståndet mellan kärnans mitt och manteln, koncentricitetsfel, avsaknad av cirkulär form, mäts modfåltsdiametern för olika smâltströmmar, dvs. för olika smälttemperaturer, och för olika hopsmältningstider, dvs. för olika varaktigheter hos den uppvärmning, som alstras för hopsmält- ningsförfarandet. Man finner, att för relativt långa hopsmältningstider, t ex upp till 5 minuter, förorsakar hopsmältningsströmrnar, som är mindre än 11 mA, inte någon avsevärd deformation av kärnan och manteln. Denna hopsmältningsström om 11 mA har därför använts vid experi- menten, såvida inte något annat anges. 20 25 35 5 Under de ovan beskrivna experimentella villkoren har beroendet hos utvidgningen av MFD av hopsrnältningstiden studerats. Modtältsdiarnetern hos den fiber, som skall provas, mäts med hjälp av TNF-förfarandet med hjälp av en scanner för brytningsindexprofil och -geomeu-i, EXFO NR9200, vilket innefattar att en lokalt uppvärmd optisk fiber avskärs vid mitten av det uppvärm- da området. Metoden för att bestämma mitten i det uppvärmda området skall diskuteras nedan.

Fig. 1 visar ett typiskt exempel på intensitetsvariationen vid en våglängd av 1550 nm för ljus, som utsänds längs en rät linje vinkelrät mot längdaxeln hos en ursprunglig fiber av typ SMF28.

Baserat på Peterman-förfarandet, CCITT G.650, och beräkningar med hjälp av Gauss-förfarandet, har modfáltsdiametern beräknats, vilket gav värden av ca 10,97 um respektive 9,83 um, enligt dessa två förfaranden. För bekvämlighetens skull skall i det följande Gauss-törfarandet användas för att beräkna modfältsdiarnetern.

Fig. 2 visar beroendet hos modtältsdiameterns utvidgning av hopsmältningstiden. De mätta modfáltsdiarnetrarna är inritade som fimktion av hopsmältriingstiden. 18 prov har uppmätts. Vär- det i varje datapunkt har erhållits genom att bilda medelvärdet av de värden, som har hämtas från tre olika prov. Sträckor, som anger motsvarande fel, är också inritade och visar de uppmätta vär- denas standardavvikelse. Mätfelen beror huvudsakligen på bristen i noggrannhet vid avskärning av fibern och det systematiska felet hos den använda scannem. i I fig. 2 kan det tydligt iakttas, att modfáltsdiametem ökar med ökande ihopsmältningstid.

Förstoringen av modfáltsdiametern är ca 35 % efter en värmebehandling om 5 minuter. För att kvantitativt bestämma beroendet hos modiältsdiameterns förstoring av hopsmälmingstiden har en kurvanpassning till de uppmätta värdena gjorts med hjälp av en regressionskurva av första ord- ningen, se den i fig. 2 heldragna linjen. Det kan iakttas, att modíältsdiarnetem ökar nästan linjärt med ökande hopsmältningstid detta fall. Relationen kan approximativt ges av: MFD = ovsoe f+ 99186 (1) ISSmin där t är hopsmältningstiden angiven i minuter och modiältsdiametern mäts i um. Det skall iakttas att förstoringen av modtältsdiametern visa ett fullständigt annorlunda uppförande, om andra uppvärmningstörhållanden används. Det har rapporterats, att en parabolisk ökning hos modfálts- diarnetem med tiden kan erhållas med hjälp av en mikrobrännare med propan-/syrgaslåga med ett uppvännningsområde av 5 - 14 mm, se M. Kihara, S. Tomita, "Loss characteristics of thermally diflilsed expanded core fiber", IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 4, sidl390 - 1391, 1992.

För att utvinna infomiation hörande till förstoringen av modtältsdiarnetern har varmbilder tagits. Varmbilder erhålls genom att detektera värmestrålning utsänd av fibern under uppvärm- ningsförfarandet. Detta utförs med hjälp av ett optiskt avbildningssystem försett med en CCD- 10 20 25 'CU ÛÛÛ Û I I' . en oo I U' :nu nu ou III z' Û gu oo o I: :'°:"o co o o o : : : - - -- -- " ' 525 441 6 kamera och en digital processor för bildbehandling. Optimerade hopsmältningsfórhållanden för att uppta värmebilder befinns vara en ström av 12 mA i ljusbågen och hopsmälmingstider av 2 sekunder. Dessa villkor säkerställer, att ett antal bilder med hög kvalitet kan upptas utan att föror- saka ytterligare någon förstoring av modfältsdiametern. Vid slutet av uppvärmningsförfarandet används därför ett ytterligare hopsmältningsförfarande för de optimerade hopsmältningsförhâl- landena för att utvinna information om modfältsdiametern.

Fig. 3a och 3b visar typiska varmbilder upptagna fiån två vinkelräta observationsriktningar av en ursprunglig fiber av typ SMF28. Fördelningen av ljusintensiteten i bilden av kärnan i tvär- gående och längsgående riktning är också inritade, se de streckade kurvorna i fig. 3a respektive 3b. De heldragna räta linjema i fig. 3a och 3b visar de lägen, vid vilka fördelningsprofilerna hos ljusintensiteten i bildema av kärnan har utvunnits fiån bildema De maximala värdena i profilerna för ljusintensitetens fördelning, som visas i fig. 3a, anger uppenbarligen läget för mitten av det uppvärmda området, vilket används för att bestämma läget för mittpunkten hos det uppvärmda området vid avskärning av fibem, vilket används vid TNF-mätningarna. I fig. 3b uppvisar ljusin- tensitetsfördelningen i tvärriktningen i bilden av kämorna en toppstruktur, som uppstår kring mitten i kärnan. Detta fenomen uppstår på grund av att halten av dopämnen i kärnan är avsevärt högre än halten i manteln.

Det kan iakttagas, att bredden hos toppstrukturen ökar avsevärt med ökande hopsmältnings- tid. Fig. 4a visar varmbilder, som är upptagna för den ursprungliga fibem, och fig. 4b visar - samma sak för fibem men med en uppvärmning i minuter för en hopsmältningsstzröm av 11 mA. Det kan tydligt ses, att bredden hos bilden av kärnan, dvs. det ljusa, vita området i mitten av varmbilden, blir mycket bredare efier värmebehandlingen med en varaktighet av 3 min.

För att få en kvantitativ insikt i förstoringen av bredden hos bilden av kärnan med ökande hopsmältningstid utvinns profilen för ljusintensitetens fördelning nära kämområdet i de två vyer- na. Profilema utvärderas med hjälp av de så kallade Clii-kvadrat-(xzyanpassningsförfarandet med användning av Levenbergs-Marquardts förfarande, se D.W. Marquardt, Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics, vol. 11, sid 431 - 441, 1963. Här antas ljusintensitetens för- delning vara en överlagring av Ganss-finiktioner plus en konstant brusbakgrund. Kvaliteten hos kurvanpassningens resultat utvärderas genom att minimera en Xz-godhetsfunlction: (2) 2 N ,^_y( i; vbv 1261): x=-§[-----y xf, ° För varje uppmätt datapunkt (xt, y,-) är motsvarande standardavvikelse 0,-, som skattas såsom cr,- e /y|_(x,) , där y(x,-;ak,b;, ,c;,,a7) representerar en summa av M Gauss-ftnilctioner, och d är fria 10 15 20 25 30 35 5 2 5 4 4 1 r 7 anpassningsparametrar och N är antalet av värden, som tas med i analysen. Den för anpassningen använda funktionen, dvs en summa av M Gaussfunktioner och en brusbakgrund d, ges av: r. ._ 2 3 yWÉÛHbHCA-'d)=§a|rex{_(flJ }+d ( ) Ck Fig. 5 visar ljusintensitetsfördelningar tagna i en riktning vinkelrät mot fibems axel och härledda ur fotografiema i fig. 4a och 4b och därvid visas den fördelning av ljus, som är erhållen ur fig. 4a, med fyllda cirklar och den fördelning, som har erhållits ur fig. 4b, med fyllda trianglar, varvid ljusintensitetsfördelningarna, även benämnda profiler, har bestämts för ett område av 50 pixel (bildelement, bildpunkter) omkring mitten i bilden av fibern. Det kan i kurvoma i fig. 5 iakttas, att ljusfördelningen i bilden av själva kärnan är överlagrad på en asymmetrisk bakgrund.

Bidraget från den asymmetriska bakgrunden bildas huvudsakligen av reflekterat ljus i det optiska systemet. Fenomenet med reflekterat ljus kan iakttas i fig. 4a och 4b, se det vita området invid den nedre kanten av vyerna av fiberbilderna. Detta asymmetriska bidrag ger upphov till avsats- lilmande strukturer till höger om topparna, se fig. 5. För att dra bort detta bidrag, omvandlas da- tavärdena med hjälp av tre Gauss-ftmktioner (M = 3) plus en konstant brusbakgrund. För en enk- lare jämförelse är värdena normaliserade med hjälp av intensitetens maximala värde. Anpass- ningsrestlltaten är också inritade, se de kurvor, vilka anges med heldragna linjer i fig. 5. Den en- bar: 'från den nppnrrrndn kärnan narirrxan ljnrprnfilnn kan sms na vara mrn mer: den Ganrs- funktion, som har det största toppvärdet. Bredden hos bilden av kärnan kan bestämmas i form av något breddmâtt hos demia Gauss-ftmktion, såsom standardavvikelsen eller halvvârdesbredden.

Det kan tydligt ses i fig. 5, att bredden av bilden av kärnan ökar avsevärt, när uppvärmningstiden förlängs. Bredden hos bilden av kärnan befinns växa från 6,8 pixel till 8,4 pixel, vilket motsvarar en utvidgning av ca 24 % efter en värmebehandling under 3 minuter. i I fig. 6 är beroendet hos utvidgningen av bredden hos bilden av käman som fimktion av ti- den Varje datapunkt, som anges med en fylld cirkel, innefattar sex bilder tagna för tre prov och för två observationsriktningar. Datavärdena är anpassade med hjälp av en första ord- ningens regressionslinje. Åter finner man en linjär ökning hos bredden av bilden av kärnan med ökande smälttid, vilken kan ges av: W= o,s3ss r + 6,s61o r s 5 min (4) där t är tiden i minuter och W bredden i pixel. Osäkerheten i mätningarna ges av standardavvi- kelsen. Motsvarande streck, som anger mätfelen, är också inritade. Osäkerheten kan i huvudsak tillskrivas instabilitet hos ljusbågen beroende på "vandring av ljusbågen", vilket är ett fenomen 10 15 20 25 35 5 2 5 4 4 1 8 . orsakat av dynamiska förändringar på grund av partiklar av kiseldioxid, som avsätts på elektro- demas yta Inverkan av "vandring av ljusbågen" på mätningarna kan minimeras med hjälp av en metod, som benämns "omcentrering av ljusbågen", se internationell patentansökan nr PCT/SEOI/01018, med uppfinnare Wei-Ping Huang et al. Det inses, att genom att ta ett antal varmbilder för varje prov och använda digitala bildbehandlingsmetoder kan också bildens kvalitet ökas och osäkerheten i mätningarna hållas nere.

Fig. 7 visar relationen mellan modfältsdiametem och bredden W av bilden av kärnan. De uppmätta datavärdena, se de fyllda cirklarna i fig. 7, är härledda ur diagrammen i fig. 2 och 6. För bekvämlighets skull är enheten en pixel omvandlad till en um. Omvandlingskoefñcienten för det avbildade systemet är 1,5. För att få klarhet i relationen anpassas datavärdena med hjälp av en första ordningens regressionslinje, se den heldragna linjen i fig. 7. Relationen kan ges av: MFD = 0,9336 W+ 0,3l08 (5) tSSmin Man kan direkt finna en starkt linjär korrelation mellan utvidgningen av modfältsdiametern och ökningen av bredden av bilden av kärnan. Korrelationen anger, att information om modfälts- diameterns dynamiska förändring med smälttiden kan erhållas direkt genom att övervaka motsva- rande förändringar av bredden hos bilden av kärnan i varmbilderna.

För en fiber av typ SMF28 är korrelationen relativt enkel, såsom visas i formel (5). Ökning- en av modfáltsdiametem och ökningen av bredden av bilden av kärnan ligger nästan i samma storleksordning. För olika typer av optiska fibrer kan emellertid korrelationen vara fullständigt annorlunda, t ex uppvisa ett ej linjärt beroende. De optimerade smältförhållandena för att utvinna information om modfältsdiametem kan också variera från en typ av fiber till en annan typ av fi- ber beroende på olika sammansättningar och halter av dopämnen i fiberns kärna. För att utveckla ett alhnänt förfarande för passiv bestämning av modfältsdiametern är det därför nödvändigt att i laboratoriemiljö individuellt undersöka korrelationen och smältförhållandena för alla typer av optiska fibrer. Sålunda kan t ex korrelationen och de optimerade smältförhållandena ñr huvudty- pema av de på marknaden tillgängliga typema av fibrer undersökas, såsom singelmodfiber av standardtyp, fibrer med nedsänkt mantel (DCF), dispersionsskiftade fibrer (DSF), multimodfibrer (MMF) och erbiumdopade fibrer (EDF), etc. Efter sådana undersökningar kan de uppmätta re- sultaten användas för att bygga upp en databas för understödjande av automatiserade förfaranden för bestämning av rnodfältsdiarneter.

Arbetsstegen i det allmänna förfarandet för passiv bestämning av modfältsdiarnetem för en automatiserad skarvapparat, såsom har ovan beskrivits, visas i flödesschemat i fig. A8. Med användning av förfarandet, styrt av de logiska processorkretsarna 33, se fig. 9b, ombeds i ett första steg 81 användaren att inmata den typ, till viken den fiber hör, vilken skall uppvärmas eller 5 525 441 9 iakttas, och användaren matar då in typen. I ett andra steg hämtas optimerade smältparametrar från en databas och den elektriska ljusbågen startas mellan elektrodema 3. Ett antal varmbilder, tex tre bilder, tas med de optimerade smältparametraxna i smältprocedurer. Den bildbehandlande och analyserande enheten 15 analyserar varmbilderna och utvirmer profiler för bilden av käman i både längdriktningen och tvärriktriingen. Ljusintensitetsfördelningen i längdrikmingen av bilden av käman utvinns för att bestämma det rnittläge för uppvärmningen, vid vilket ljusintensitetsfór- delningen i tvärled sedan analyseras för att erhålla information om bredden hos bilden av kärnan.

Genom att på lärnpligt sätt göra en modell av ljusintensitetsfördelningen i tvärled för bilden av kärnan, t ex med hjälp av formlerna (2) och (3), härleds bredden hos bilden av kärnan. Baserat på 10 information om fibems typ hämtas motsvarande korrelation mellan modfältsdíameter och bredd hos bilden av kärnan för den betraktade fibem fiânyen databas. Därur beräknas och bestäms mod- fältsdiametem. _ Enhetema, som i huvudsak är logiska block, vilka exekveras av en eller fler lämpliga . processorer och erfordras för databehandlingen, ses också i fig. 9b. Den bildbehandlande och 15 20 25 30 35 analyserande enheten 15 innefattar sålunda en enhet 35 för att bestämma bredden av bilden av kärnan. Denna bestämningsenhet innefattar i sin tur en enhet 37 för att bestämma ljusintensitets- profiler, både i längdriktningen och i tvärled, en enhet 39 för kurvanpassning, som utför något kurvanpassningsförfarande, såsom Chi-kvadratsförfarandet, vilket har skisserats ovan, en kurvbe- stämmande enhet 41 för att välja lämpliga kurvor, både den profil i tvärled, som skall analyseras med avseende på sin bredd, och den kurva, som ingår i en sammansatt modellkurva, vilken an- vänds för att bestämma bredden, och en enhet 43 för att bestämma bredden ur den valda kurvan, vilken ingår i den anpassade modellkurvan. Det bestämda värdet på bredden avges till de logiska processorkretsarna 33, till en enhet 45, vilken ingår i dessa, för att bestämma modfältsdiametern och den modfältsdiameter, som motsvarar den uppmätta bredden. Enheten för bestämning av modfältsdiametem kan använda värdet på bredden som ingångsvärde i en tabell 47 i en databas 49, från vilken ett motsvarande värde på modfältsdiarnetern erhålls. Om värdet på bredden inte kan hämtas i tabellen kan intilliggande värden på bredden tillsammans med dessas motsvarande modfältsdiametrar hämtas och användas av en interpolationsenhet 51 för att beräkna den mod- fältsdiameter, som motsvarar den bredd, vilken har tillhandahållits av den bildbehandlande och analyserande enheten 15. Altemativt behöver tabellen inte användas och i stället kan enheten för bestämning av modfältsdiametern innefatta en beräkningsenhet 53, som beräknar modiältsdia- metern genom att använda bredden som ett ingângsvärde i algoritm 55, vilken har bestämts för den typ av fiber, till vilken den uppvärmda fibem hör.

En av de direkta tillämpningarna av det här visade förfarandet innefattar förbättring av den skattning av skarvförlusten, som utförs i en automatiserad skarvapparat. Något passivt förfarande 10 20 25 30 O I I 0 0 0 Q 525 441 10 för utvärdering av skarvförluster används i de flesta automatiserade skarvapparater. Olika mo- 0000 O 0000 O 0 I 00 0 OO deller för utvärdering av skarvförluster har utforskats och utvecklats under de senaste två tiotal åren. De välkända teoriema för skattning av skarvförluster är stumskarvteorin, se D. Marcuse, "Loss analysis of single-mode fiber sp1ices", Bell Syst. Tech. J., vol. 56, sid 703 - 718, 1977, och mikrodeforrnationstcorin och/eller modkopplingstoerin, se W. Zheng, "Loss estimation for fusion splices of single-mode fibers", i Proc. Int. SPlE'9l Conf., Boston, MA, vol. 1580, sid. 380 - 390, 1991, och W. Zheng, O. Hultén and R. Rylander, "Erbium-doped fiber splicing and splice loss estimation", J. Lightwave Technol., vol.l2, sid 430 - 435, 1994. Sålunda kan den upptagna skarv- förlusten LT skattas uttryckt med hjälp av olika förlustmekanismer: Lr = Luna-join: + Lme-misuamm: + Lmaefaflmnm + Larm-vunnen + Luma-heading (5) dä-f Lbutt-joint, Lcorc-misaligrnent, Lowe-deformation, Lindex-variation and är Skafvförluster beroende på bristande anpassning av modfältsdiarnetrar, bristande inriktning av kärnorna, deformation av kärnorna, variation av brytningsindex respektive makroböjning av fibrerna. De kan ges av: Lbunriojm = lOg wlz + w: 2W1W2 Lcorc-misaligrnernt = Fdix, W, a, b, nl, 32, (8) W Leafs-utmanat = Fa {'Y, Ä, W, a, b, 111, l12} (9) w Lmm~aflfim= F,-{f,x,w,a,b,n1,n2}lf_: (10) W där w; och w; är modfältsradicr för de två fibrer, som skarvas ihop med varandra, w (MFD = 2w) är modfältsradien för den fiber, från vilken ljusintensitetssignalen härrör, d är tvärledsförskjut- ningen mellan kämorna efter hopsmältningcn, ö är amplituden fór kämornas mikroböjning, 'y är hastigheten för mikroböjningens avtagande, k = Zn/k är vågtalet och K är våglängden, och nl och n; är brytningsindex. Brytningsindexftmktionen är en stegfunktion av z-koordinaten längs fibems axel och en diskontinuitet I. a och b är radiema hos kärnan respektive manteln.

Lbmfl-oin, är inneboende skarvningsförlust mellan två fibrer med olika modfältsdiarnetrar, förlusterna Lwmflfsaligncn, and Lmnrkfommion alstras huvudsakligen på grund av ej noggrann inrikt- ning av de två fibrerna, av dålig kvalitet hos fibrema, tex en stor excentricitet hos kärnan i för- hållande till manteln, en större avsaknad av .cirkulär form hos fibrerna, etc, av en dålig avskär- ningsvinkel erhållen vid förberedande av fibrema, av en hög tvärledsförskjutning mellan mant- larna efter inriktning och av ett olämpligt val av hopsmältningsförfaranden och/eller avhop- 10 15 20 000 000 O 0 0 U I 525 441 1 1 smältningsparametrar. Lindcmmafion-Fórlusten representerar variation av profilen hos brytningsin- dex beroende på betydande diffusion av dopämnen i kärnan under smälmingsförfarandet. För- lusten beroende på makroböjning orsakas i huvudsak av den ofullständiga inriktningen i längd- rikmingen mellan fibrerna på grund av en olämplig kraft, som anbringas på fibrernas från belägg- ning befriade ytor och hög storlek hos det mikrodamm, vilket finns kvar på fibrernas ytor och/eller i V-spår, vilka används för att uppstödja fibrerna vid förfarandet.

Med undantag av Lmmbmdmg är de flesta av förlustmekanismerna funktioner av modfältsdiarnetern. Därför är kännedom om modfältsdiametem mycket betydelsefirll för att kunna utñra skattning av förlust på noggrant sätt. Tyvärr kan en direkt kännedom om modfälts- diametem knappast erhållas under hopsmältningsförfarandet, efiersom modfältsdiametern ändrar sig dynamiskt beroende på olika hopsmälmingsförlopp och fiberkombinationer. I praktiken be- noll 0000 0 QIO traktas den slutgiltiga modfáltsdiarnetern vanligen som en fri parameter, som används i modellbe- räkningar, medan ett lämpligt värde på modfaltsdiametem för modellberäkningarna optimeras manuellt baserat på aktiva mätningar av skarvförluster. Beroende på i första hand tekniska orsa- ker och den tämligen komplicerade beskafïenheten hos de ingående skarvförloppen är optimering av modfältsdiarnetervärdet för beräkning av det skattade värdet ett mycket svårt och tidsödande arbete, som endast kan utföras av mycket erfarna operatörer.

Med användning av det här visade förfarandet kan de dynamiska ändringarna av modfältsdiametem under smältförfaranden iakttas. Härigenom kan variationen av modfältsdia- metem dynamiskt övervakas. Det detekterade slutliga värdet på modfältsdiarnetern efter hop- skarvningen kan direkt användas för skattning av förlusterna. Det långsamma och komplicerade arbetet för att manuellt optimera värdet för modfáltsdiametern kan därför undvikas.

Claims (15)

20 25 525 441 17. PATENTKRAV

1. Förfarande för att bestämma modfáltsdiarnetern för en optisk fiber, kännetecknat av ste- gen: - att uppvärma ett område av den optiska fibem, - att ta en varmbild av området av den optiska fibem, - att ur varmbilden bestämma en ljusintensitetsfördelning i längdriktningen över det område i varmbilden, 'som motsvarar den optiska fibems kärna, - att ur den bestämda ljusintensitetsfördelningen i längdriktningen bestämma i varmbilden ett mittläge för uppvärmningen som den punkt, i vilken den bestämda ljusintensitetsfördelningen i längdriktrringen har ett maximalt värde, - att ur varmbilden bestämma en ljusintensitetsfördelning i tvärriktningen längs en linje, som går genom det bestämda nrittläget för uppvärmningen i varmbilden, - att ur den bestämda ljusintensitetsfördelningen i tvärriktttingen bestämma bredden hos käman i varmbilden, och - att utgående från den bestämda bredden bestämma den optiska fibems modfältsdiameter.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att steget med att bestämma bredden hos kär- nan i varmbilden innefattar delstegen: l- att till den bestämda ljusintensitetsfördelningen i tvärriktningen anpassa en summa av Gauss- funktioner och en konstant brusbakgrund, - att sätta en enbart från den uppvärmda kärnan i den optiska fibem härledd ljusprofil att vara lika med den anpassade Gauss-fiinlction, som har störst toppvärde, och - att bestämma bredden hos bilden av käman som ett breddmått för denna Gauss-fimktion.

3. Förfarande enligt krav 2, kännetecknat av att bredmåttet tas som standardavvikelsen el- ler halvvärdesbredden. i

4. Förfarande enligt något av krav 1 - 3, kännetecknat av att i steget med att bestämma modfältsdiarnetern bestäms modfältsdiarnetem ur en databas, som innefattar en tabell, vilken kor- relerar bredden hos kärnan i en optisk fiber i en upptagen bild med modtältsdiametern.

5. Förfarande enligt något av krav l - 3, kännetecknat av att i steget med att bestämma modfältsdiametem bestäms modfáltsdiarnetern genom att från ett värde på bredden hos kärnan i en optisk fiber beräkna den optiska fiberns modfältsdiameter enligt en algoritm, som har bestämts för den typ av optiska fibrer, till vilken den optiska fibem hör. é

6. Förfarande enligt något av krav l - 3, kännetecknat av att en optisk fiber uppvärms un- der olika tidslängder och/eller till olika temperaturer och att för varje uppvärmningsfall en varm- bild upptas, i vilken bredden bestäms och modfältsdiametern uppmäts, för att 'framställa korrele- 20 25 441 3 rade värden mellan bredd och modfältsdiameter, varvid de korrelerade värdena används vid er- hållandet av modfältsdiarneter ur den bestämda bredden.

7. Förfarande enligt krav 6, kännetecknat av att modfältsdiarnetern mäts med hjälp av för- farandet med "nära sändningsfält" ("Transmitted Near Field method").

8. Förfarande enligt krav 6, kännetecknat av att parametrarna i en modellfunktion be- stäms, så att modellfunktionen för de bestämda parametrarna överensstämmer med de korrelerade 525 1 värdena, och att modellfimktionen används vid bestämningen av modfáltsdiarnetem ur den be- stämda bredden. I I

9. Förfarande för att skatta skarvningsförlusten i en smältskarv mellan två optiska fibrer, kännetecknat av att vid slutet av hopsmältningsförloppet upptas varmbilder av ändarna av de två optiska fibrema i områden vid skarven, att breddema hos kärnorna av fiberändarna i varmbilder- na bestäms, att därur bestäms modfältsdiametrarna för fiberändarna enligt krav 1, och att skarv- ningsfórlusten skattas med hjälp av de erhållna modfältsdiametrama.

10. Förfarande enligt krav 9, kännetecknat av att skarvningsförlusten skattas som en eller flera av: - en stumskarvningsförlust, - en förlust beroende på bristande inriktning mellan kämoma, - förlust beroende på deformation av kämoma, och - förlust beroende på variation av brytningsindex.

11. ll. Anordning för att bestämma modfiltsdiarnetem för en optisk fiber, kännetecknad av - ett stöd för en optisk fiber, - en uppvärmningsanordning för att uppvärma en del av en optisk fiber, vilken uppstöds av stö- det, - en kamera för att ta bilder av nämnda del av en optisk fiber, när denna uppstöds och uppvärms, och - en bildbehandlande anordning förbunden med kameran för att bearbeta bilder, som upptas av kameran, varvid den bildbehandlande anordningen innefattar: - - en enhet för att ur kameran upptagna bilder bestämma en ljusintensitetsfördelning i längdrikt- ningen över det område i en upptagen bild, som motsvarar den optiska fiberns kärna, - - en enhet för att ur den bestämda ljusintensitetsfördelningen i längdriktningen bestämma i varmbilden ett mittläge för uppvärmningen som den punkt, i vilken den bestämda ljusintensitets- fördelningen i längdriktningen har ett maximalt värde, - - en enhet för att ur varmbilden bestämma en ljusintensitetsfördelning i tvärriktningen längs en linje, som går genom det bestämda rnittläget för uppvärmningen i varmbilden, och 10 20 25 5 2 5 4 4 1 l i' - - en enhet för att ur den bestämda ljusintensitetsfördelningen i tvärrilcmiiigen bestämma bredden hos käman i varmbilden, och - en enhet för bestânming av modfältsdiarneter förbunden med den bildbehandlande anordningen för att utgående från ett bestämt värde på bredden av en kärna hos en optisk fiber bestämma mod- fáltsdiametem i det uppvärmda området av den optiska fibem,

12. Anordning enligt krav 11, kännetecknad av att enheten för att bestämma bredden hos kärnan i varmbilden innefattar: - en delenhet för att till den bestämda ljusintensitetsfördelningen i tvärrikmingen anpassa en sum- ma av Gauss-finilttioner och en konstant brusbakgrund, - en delenhet för att sätta en enbart från den uppvärmda kärnan i den optiska fibem härledd ljus- profil att vara lika med den anpassade Gauss-ftmktion, som har störst toppvärde, och - en delenhet för att bestämma bredden hos bilden av kärnan som ett breddmått för denna Gauss- funktion.

13. Anordning enligt krav 12, kännetecknadp av att delenheten för att bestämma bredden hos bilden av käman är anordnad att ta bredmåttet som standardawikelsen eller halvvärdesbred- den.

14. Anordning enligt något av krav ll - 13, kännetecknad av att enheten för bestämning av modfältsdiarnetern innefattar en databas, som innefattar en tabell, vilken korrelerar bredden hos kärnan av en optisk fiber med modfáltsdiametem.

15. Anordning enligt något av krav 11 - 13, kännetecknad av att enheten för bestämning av modfáltsdiarneter innefattar en beräkningsenhet, vilken är anordnad att utgående från ett värde på bredden hos käman i en optisk fiber beräkna den optiska fiberns modfältsdiameter enligt en al- goritm, som är bestämd för den typ av optisk fiber, till vilken den optiska fibem hör.