WO2000077550A1 - Berechnung der spleissdämpfung nach messung der geometrie - Google Patents

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WO2000077550A1
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Bert Zamzow
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Scc Special Communication Cables Gmbh & Co Kg
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/30—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides
    • G01M11/37—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides in which light is projected perpendicularly to the axis of the fibre or waveguide for monitoring a section thereof

Definitions

  • thermo splicing allows both monomode and multimode glass fibers and glass fiber ribbons to be bonded to one another in a cohesive, low-attenuation and permanent manner. Since splicing, as a work step to be carried out frequently, had a not inconsiderable effect on the costs for the construction of an optical fiber cable network Handy devices, which can also be used under difficult conditions on site, have developed all the steps required for welding the glass fibers fully automatically (see for example [1]).
  • the damping of the splice connection made with such a device depends, among other things, on the exact alignment - the light-guiding fiber cores, the quality of the fiber end surfaces (roughness, break angle, etc.) and the welding parameters selected by the operator or specified by the respective control program (welding time, welding current).
  • the attenuation caused in particular by a core offset, a core bending or a widening or tapering of the core can be determined, for example, by means of a transmission measurement using a bending coupler (LID system) installed in the splicer.
  • LID system bending coupler
  • light is coupled into the glass fiber in front of the splice point and out again behind the splice point.
  • the intensity of the light transmitted from one glass fiber via the splice into the other glass fiber is then a measure of that Damping.
  • this measuring method cannot be used if a fiber protection layer ("coating") which is too thick or darkly colored prevents light from being coupled into and out of the fiber core.
  • the method known from [2] for determining the splice loss is based on the optical detection of the core misalignment, the misalignment of the fiber cores and the core bending in the area of the splice point.
  • An empirically determined formula describes the functional dependence of the damping on the parameters mentioned. Since the method does not require coupling and decoupling of light in the fiber core, it can always be used regardless of the light transmission of the fiber protection layer. However, it only delivers reliable damping values if the aforementioned parameters alone
  • the invention relates to a method for determining the attenuation of a splice connecting two optical waveguides.
  • splice here designates any cohesive connection, in particular produced by thermal fusion / welding, between at least two light-guiding structures or elements, that is to say in particular the connection between glass fibers, glass fiber ribbons / bundles or the connection between a glass fiber or one Glass fiber ribbon with an active or passive optical component.
  • the method is intended to enable the user to determine the attenuation of the splice produced with a high degree of accuracy, taking into account all parameters that significantly influence the attenuation.
  • This object is achieved by a method with the features specified in claim 1.
  • the dependent claims relate to advantageous refinements and developments of the method.
  • the proposed method can easily be used in a modern splicer, since one only has to adapt its software accordingly. It also has the following properties:
  • the achievable accuracy of the attenuation determination is essentially only limited by the quality of the optical system serving to visualize the fiber core and the performance of the processor carrying out the field calculation;
  • the attenuation of the splice can be determined depending on the direction
  • the splice loss can be calculated for any operating wavelength and -
  • the method allows easy adaptation to the respective requirements (e.g. high accuracy, fast measurement).
  • Figure 1 shows the schematic structure of a modern, largely fully automatic thermal splicer
  • Figure 2 shows the relative position of the ends of two optical fibers to be connected
  • a) after approximation and rough positioning b) after alignment with regard to their outer contours and c) after alignment with respect to their light-guiding fiber cores
  • FIG. 3 shows the schematic structure of a glass fiber and the profile n (r) of the refractive index in the plane oriented perpendicular to the longitudinal axis of the fiber;
  • FIG. 4 shows the intensity distribution ("silhouette" of the glass fiber) generated in the transversal fluoroscopy of a glass fiber by means of imaging optics in the sensor plane of a CCD camera;
  • FIG. 5 shows the silhouette of the glass fiber, the core of which has a lateral offset in the area of the splice;
  • FIG. 6 shows the silhouette of a glass fiber, the core of which is bent in the area of the splice;
  • FIG. 7 shows the silhouette of a glass fiber, the core of which is expanded / compressed in the area of the splice;
  • Figure 8 shows the silhouette of an optical fiber in which the
  • FIG. 9 shows the division of the space on which the field calculation method is based and which contains the fiber core into cuboids and layers.
  • the splicer shown only schematically in Figure 1 allows the largely fully automatic welding of optical fibers.
  • the bonding of a core in each case (refractive index n core) / a cladding (refractive index n Man tei ⁇ n Ke rn) and a single or multi-layer covering ( "coating") existing Einmodenoder multimode glass fibers occurs conventional manner by carrying out the following process steps:
  • LID systems 6/7 Lical Injection and Detection and / or by video image evaluation; d) cleaning the fiber end surfaces by briefly heating the fiber ends 1/2; e) Feeding and fusing the fiber ends 1/2 by igniting an electric arc between two electrodes 8/9 and f) arranged in the area of the fiber ends 1/2. f) Checking the quality of the splice (measuring the splice loss, checking the tensile strength).
  • the splicer is equipped with the following components and elements:
  • control unit 10 which controls the actuating elements (servomotors, pizoelectric actuators) of the positioning units 3/4/5,
  • LID system a transmission measuring device consisting of an optical transmitter 6 (light emitting diode, bending coupler) and an optical receiver 7 (bending coupler, photodiode, amplifier), - two optical systems for projecting the outer contours or the profile of the two fiber ends 1/2 in two orthogonally oriented planes (x / z or y / z plane), the optical systems each having a light source 11/12 (light-emitting diode), an imaging optics 13/14 and one with the CCD camera 16/17 defining the x / z or y / z sensor level connected to the video evaluation unit 15,
  • a heat source for heating the fiber ends 1/2 to the melting temperature in the range between approximately 1600-2000 ° C. the heat being supplied in the exemplary embodiment shown by means of a glow discharge generated between two electrodes 8/9 and controlled by the unit 18,
  • a central control 19 connected on the input side to the video evaluation unit 15, which executes and monitors all the steps required for the splicing in accordance with the selected program and
  • both the outer contours of the fiber ends 1/2 and the fiber cores C1 / C2 then have a transverse offset ⁇ ⁇ or ⁇ , which is not necessarily the same.
  • the fiber ends 1/2 are shifted with the help of the positioning units 3/4/5 controlled by the control unit 10 in the transverse direction, ie in the direction of the x and y axes, until the outer contours of the fiber ends 1/2 are aligned. their transverse
  • Offset ⁇ ⁇ thus at least approximately disappears in both the x and y directions (ö ⁇ « ⁇ K ⁇ « 0).
  • the fiber ends 1/2 lie opposite one another, as shown in FIG. 2b.
  • the core offset ⁇ c that is still present and is caused by the eccentric position of the fiber cores C1 / C2 can be clearly seen.
  • the fiber ends 1/2 In order to produce a splice with the lowest possible attenuation, the fiber ends 1/2 must therefore still be aligned with respect to their cores C1 / C2, that is to say the core offset ⁇ c must be eliminated or at least minimized.
  • the fiber ends 1/2 are then heated by igniting the electric arc between the electrodes 8/9, brought closer to one another and fused together.
  • the LID system 6/7 continuously measures the passage of light across the splice. Reaches that in optical Receiver 7 measured intensity a maximum, the optimal welding time is reached and the welding process is automatically ended.
  • Automatic-Fusion-Time-Control those caused by the condition of electrodes 8/9 (less than optimal distance, wear, etc.) and / or by environmental influences (humidity, air pressure, temperature) can be increased Largely compensate for splice attenuation effects.
  • the splice geometry is recorded three-dimensionally by means of the optical systems 11-17 present in the splicer, and from this the spatial distribution n (r) of the refractive index, which exactly describes the splice and its properties (also the attenuation), is derived.
  • the determination of the splice loss requires the following steps to be explained: - Three-dimensional detection of the splice geometry and calculation of the spatial distribution n (r) of the refractive index;
  • Plastic sleeve 23 (“coating").
  • n (r) of the refractive index within a volume containing the core 21 and, for example, only 20-40 ⁇ m in the transverse direction (x / y plane) is therefore sufficient for the calculation of the damping.
  • FIG. 4 shows the intensity distribution generated by the imaging optics 14 on the sensor surface 17 ′ of the CCD camera 17 that defines the x / z plane, if one removes a glass fiber 20 stripped of its protective layer 22 by activating the light source 12 in the transverse direction (x direction) screened.
  • the outer contours 22 '(outer edge of the fiber cladding 22) of the glass fiber 20, the two dark zones 24/24' caused by the cylindrical lens effect and the image of the fiber core 21 (pair of lines 21 ') can be clearly seen - a corresponding silhouette creates this from the light source 11 and the imaging optics 13 existing system on the x / z plane defining sensor surface of the CCD camera
  • the two intensity distributions are fed to the controller 19 equipped with a powerful microprocessor and stored there in digital form.
  • the spatial distribution of the refractive index n (r) can be calculated directly from the recorded images, for example using the methods described in [3]. nen. No additional information is required, nor is the distribution of the refractive index standardized in any way. However, the disadvantages are the required, high, and therefore comparatively expensive imaging optics, and the additional effort required in some methods for generating interference recordings.
  • n (r) in the area of the splice, a so-called basic distribution n 0 (f) of the refractive index is modified by means of suitable parameters obtained from the recorded images of the splice.
  • the spatial distribution of the refractive index in the undisturbed glass fiber serves in particular as the base distribution n 0 (f).
  • the latter is known when using certain types of glass fibers (standard fiber, dispersion-shifted fiber, erbium-doped fiber, etc.) or can be found in the data sheet or can be obtained from the manufacturer. If corresponding information is not available, the distribution n 0 (r) of the refractive index of the undisturbed fiber can be determined experimentally, for example using the method described in [4].
  • the spatial distribution of the refractive index of the undisturbed fiber as the basic distribution n 0 (f) in advance for the different, more frequently used fiber types and to store it in the splicer, if necessary in parametric form.
  • the glass fibers used in the transmission of messages are mostly homogeneous in the direction of their longitudinal axis OA and are rotationally symmetrical with respect to this axis OA, the distribution of the refractive index also has a corresponding symmetry, i.e. the so-called refractive index profile n (r, z 0 ) (r: lateral distance from the fiber longitudinal axis OA) describes the distribution of the refractive index completely.
  • the following examples explain the steps necessary to determine the distribution n (r) in the splice area that is used in the calculation of the attenuation by modifying a basic distribution n 0 (r). For the sake of clarity, the effects and mechanisms that increase damping and usually occur simultaneously in practice are shown separately.
  • the distribution nu (r) of the refractive index determined for a wavelength ⁇ l can be converted into the corresponding distribution n ⁇ 2 (r) at a different wavelength ⁇ 2 using the Sellmaier series (see for example [5]).
  • the core and cladding of the two glass fibers connected to one another also have the same axes of symmetry coinciding with the z-axis in the area of the splice. Due to incorrect positioning of at least one of the two glass fibers prior to the fusion (non-aligned alignment), however, there is a core offset in the region of the splice point 25 which interferes with light propagation and has an attenuation-increasing effect (see FIG. 5).
  • the required refractive index distribution n (r), which approximates the real conditions is calculated by modifying the basic distribution no (f) according to equation (1).
  • n (r, z) n 0 (r '+ ⁇ r, z) (1)
  • ⁇ r 2 x m 2 (z) + y m 2 (z) x m : lateral shift of the core center in the x / z plane
  • y m lateral shift of the core center in the y / z plane
  • the refractive index profile thus changes on the z-axis in accordance with the lower right part of FIG. 5.
  • the offset of the line pair 2l '/ 2l "representing the fiber core 21 becomes relative to a preferably measured at the left or right edge of the image, for example using the correlation method described in [6].
  • the optical system of the splicer does not allow imaging / visualization of the fiber core 21, it can be assumed in a first approximation that the core 21 does not change its position significantly relative to the outer contour of the fiber during the fusion.
  • the lateral distance of the core center to the z-axis drawn in the silhouette then corresponds approximately to the lateral distance of the center of the fiber outer contour 22 'from this axis.
  • the fiber core is bent in the area of the splice, for example due to the eccentric position of at least one of the two cores within the respective glass fiber and / or the non-parallelism of the opposing fiber end faces before the fusion.
  • the two imaging optics 13/14 of the splicer then each generate a silhouette of the splice, shown schematically in the left part of FIG. 6. Outside the heating zone 26, the center of the fiber core should subsequently lie on the z-axis, while in the center 25 of the splice it should be offset by ⁇ x (z s ) or ⁇ y (z s ) in the lateral direction.
  • the lateral distance ⁇ x (z) / ⁇ y (z) of the core center therefore changes according to the function shown in the upper right part of FIG. 6, which runs through a minimum in the middle 25 of the splice (coordinate z s ).
  • the basic distribution no (r) is determined in accordance with the measured lateral distance ⁇ x (z) / ⁇ y (z) of the core center from the z-axis in the lateral direction postponed.
  • the lower right part of FIG. 6 shows the profiles n (r, z) of the refractive index assigned to different z values.
  • V x / y (z): [d ⁇ y (z)] / [d x / y (z 0 )] (2)
  • V x / y (z) thus defines a measure of the change in cross section of the fiber core.
  • the basic distribution n 0 (r) is compressed or stretched in accordance with the ratio V X / / y (z) in the x / y plane, so that, for example, in the lower right part the refractive index profile shown schematically in FIG. 7 at various points on the z-axis.
  • the change in cross-section of the fiber core can be equated, at least approximately, with the change in cross-section of the outer contour (not shown in FIG. 7). It is therefore sufficient to measure the outer fiber contours 22 'in the respective shadow image in order to determine the compression or expansion factor V x / y (z) applicable to the basic distribution. Diffusion of the dopant in the area of the splice
  • the dopant responsible for the different refractive index of the core and the cladding begin to migrate outward into the cladding in the direction predetermined by the gradient of the concentration, that is to say predominantly in the lateral direction. This process leads to a change in the refractive index profile that influences the damping.
  • the concentration of the dopant at the core / cladding boundary decreases as a result of the diffusion, the image contrast at the splice point decreases, ie the line pair 21 'representing the fiber core appears less dark in the generated silhouette, in particular in the middle 25 of the splice, than, for example outside the heating zone 26 (see Figure 8).
  • the change ⁇ p x / y in the dopant concentration on the z-axis caused by diffusion approximately follows the bell curve shown in the upper right part of FIG.
  • H x / y (z) brightness / intensity of the core boundary at a point z in the area of the splice
  • the ratio K x / y (z) can approximately also serve as parameter S x / y (z).
  • the core is not recognizable in the shadow images (simple optical system)
  • you can determine the strength of the diffusion and thus the stretching by measuring the splice temperature (e.g. directly or indirectly via the brightness of the heated fiber) or from the heating temperature set on the splicer. / Determine the compression factor.
  • the initial field distribution E 0 (r) that is included in the calculation of the splice loss corresponds to the positional dependence of the electrical field for a given wavelength and the associated spatial area derived from the basic distribution n 0 (f) of the refractive index of a mode that can be propagated in the glass fiber (e.g. basic mode LP 0 ⁇ a single-mode fiber).
  • Methods for calculating the field distribution from a predetermined spatial distribution of the refractive index are known, for example, from [7,8].
  • the positional dependence of the electric field referred to below as the end field distribution E n (r) of the mode spreading from the first spatial area via the splice becomes within of a second area behind the splice in the direction of propagation was calculated using one of the beam propagation methods (BPM) described in [9 - 11].
  • the BPM first requires the refractive index distribution at discrete points in space, which is divided into cuboids of the same size, for example.
  • the edge length of a cuboid can be, for example, 0.5 ⁇ m in the z direction, and 0.25 ⁇ m in each case in the x and y direction (see FIG. 9), all cuboids with the same z coordinate forming a spatial region referred to as a layer.
  • Each cuboid is assumed to be homogeneous with regard to the refractive index, ie the refractive index does not change within the respective cuboid.
  • the missing data points are determined by interpolation (for example by splines). This is also easily possible since the refractive index changes very little between two spatial points just resolved by the imaging system.
  • E (z 0 ) Is the electric field £ 0 (x, y, Zo) (hereinafter referred to as E (z 0 )), which describes a mode that can be propagated in the glass fiber and is derived from the basic distribution n 0 (r), at the centers of the parallelepiped faces of the first layer (symbolized by black dots in FIG. 9), the BPM uses this initial field distribution and the refractive indices of the first layer to calculate the electric field E (x, y, zo + ⁇ z) between the first and the second layer and from this the electric field E again (x, y, z 0 + 2 ⁇ z) between the second and third layers. If the method is continued on an interim basis, the BPM finally delivers the electric field E n (x, y, Zo + n ⁇ z) (hereinafter called E (z n )) representing the end field distribution on the end face of the last layer.
  • E (z n ) the electric field distribution on the end face of the last
  • the splice attenuation can then be determined from the initial field distribution E (z 0 ), the final distribution E (z n ) or the corresponding intensities I (z 0 ) or I (z n )
  • the size ⁇ E 1 ⁇ z n ) represents the total field distribution of the modes capable of propagation and ⁇ E-, (z n ) the total field distribution of the modes not capable of propagation, where the intensity I (z n ) derived only from ⁇ E i (z n ) is included in the calculation of the damping.
  • the determination of the end field distribution from the initial field distribution requires a great deal of computation, so that, depending on the performance of the processor installed in the splicer, it can take a relatively long time for the splice attenuation to be displayed on the screen. This can be avoided if the calculation of the end field distribution is no longer carried out directly in the device but in advance at the manufacturer.
  • the parameters relevant for the damping are determined. These parameters do not necessarily have to have a physical correspondence (e.g. core offset etc.). Methods for determining such parameters are known from statistics or physics under the name main components or factor analysis or Karhnen-Loeve decomposition.
  • the functional relationship of the parameters with the calculated attenuation defines a map that is saved in each splicer. The function of the device is then reduced to classifying the splice generated on the basis of the parameters and reading the associated attenuation from the characteristic diagram.

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Abstract

Die Beurteilung der Qualität eines Spleißes liefern nur dann hochgenaue Ergebnisse, wenn die Geometrie des lichtführenden Faserkerns, d.h. die das Dämpfungsverhalten bestimmende räumliche Verteilung der Brechzahl im Bereich der Spleißstelle in die Berechnung der Dämpfung eingeht. Es wird daher vorgeschlagen, die Spleißgeometrie mittels optischer Systeme (12, 14) dreidimensional zu erfassen und daraus die räumliche Verteilung der Brechzahl an der Spleißstelle abzuleiten, die einer in der Glasfaser ausbreitungsfähigen Mode entsprechende Feldverteilung innerhalb eines in Strahlrichtung vor dem Spleiß liegenden ersten Raumbereichs festzulegen, die Feldverteilung dieser Mode innerhalb eines in Strahlrichtung hinter dem Spleiß liegenden zweiten Raumbereichs unter Berücksichtigung der räumlichen Verteilung der Brechzahl an der Spleißstelle zu bestimmen und aus den beiden Feldverteilungen zugeordneten Intensitätswerten die Spleissdämpfung zu berechnen.

Description

Beschreibung
BERECHNUNG DER SPLEISSDAMPFUNG NACH MESSUNG DER GEOMETRIE
1. Einleitung
Durch das als „thermisches Spleißen" bezeichnete Verfahren lassen sich sowohl Monomode- als auch Mehrmoden-Glasfasern sowie Glasfaserbändchen stoffschlüssig, dämpfungsarm und dauerhaft miteinander verbinden. Da das Spleißen als häufig durchzuführender Arbeitsschritt die Kosten für den Aufbau eines Lichtwellenleiter-Kabelnetzes nicht unerheblich beeinflußt, wurden handliche und auch unter erschwerten Bedingun- gen vor Ort einsetzbare Geräte entwickelt, die alle für das Verschweißen der Glasfasern erforderlichen Schritte weitgehend vollautomatisch ausführen (siehe beispielsweise [1]). Die Dämpfung der mit einem solchen Gerät hergestellten Spleißverbindung hängt unter anderem von der exakten Ausrich- tung der lichtführenden Faserkerne, der Qualität der Faserendflächen (Rauhigkeit, Bruchwinkel usw.) und der vom Bediener gewählten oder durch das jeweilige Steuerprogramm vorgegebenen Schweißparameter (Schweißzeit, Schweißstrom) ab.
2. Stand der Technik
Maßgebend für die Größe der Dämpfung des erzeugten Spleißes sind Störungen in der Geometrie des lichtführenden Faserkerns. Die insbesondere durch einen Kernversatz, eine Kern- verbiegung oder eine Verbreiterung bzw. Verjüngung des Kerns hervorgerufene Dämpfung läßt sich beispielsweise mittels einer Transmissionsmessung unter Verwendung eines im Spleißgerät eingebauten Biegekopplers (LID-Syste ) bestimmen. Hierbei wird Licht vor der Spleißstelle in die Glasfaser eingekoppelt und hinter der Spleißstelle wieder ausgekoppelt. Die Intensität des von der einen Glasfaser über den Spleiß in die andere Glasfaser transmittierten Lichtes ist dann ein Maß für die Dämpfung. Dieses Meßverfahren läßt sich allerdings nicht anwenden, wenn eine zu dicke oder dunkel eingefärbte Faserschutzschicht ("Coating") das Ein- und Auskoppeln von Licht in den bzw. aus dem Faserkern verhindert.
Das aus [2] bekannte Verfahren zur Bestimmung der Spleißdämpfung beruht auf der optischen Erfassung des Kernversatzes, der Schiefstellung der Faserkerne und der Kernverbiegung im Bereich der Spleißstelle . Eine empirisch ermittelte Formel beschreibt die funktionale Abhängigkeit der Dämpfung von den genannten Parametern. Da das Verfahren keine Ein- und Auskopplung von Licht in den Faserkern erfordert, ist es unabhängig von der Lichtdurchlässigkeit der Faserschutzschicht immer anwendbar. Es liefert allerdings nur dann zuverlässige Dämpfungswerte, wenn allein die vorgenannten Parameter die
Dämpfung des Spleißes bestimmen. Dies ist jedoch insbesondere bei falsch eingestellten Schweißparametern oder großen Dämpfungen nicht der Fall.
3. Gegenstand, Ziele und Vorteile der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung der Dämpfung eines zwei optische Wellenleiter verbindenden Spleißes. Der Begriff "Spleiß" bezeichnet hierbei jede stoff- schlüssige, insbesondere durch thermisches Verschmelzen/Verschweißen hergestellte Verbindung zwischen mindestens zwei lichtführenden Strukturen oder Elementen, also insbesondere die Verbindung zwischen Glasfasern, Glasfaserbändchen/-bün- deln oder die Verbindung zwischen einer Glasfaser bzw. eines Glasfaserbändchens mit einem aktiven oder passiven optischen Bauelement.
Das Verfahren soll es dem Anwender ermöglichen, die Dämpfung des erzeugten Spleißes unter Berücksichtigung aller, die Dämpfung wesentlich beeinflussender Parameter mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens.
Das vorgeschlagene Verfahren läßt sich ohne weiteres in einem modernen Spleißgerät anwenden, da man nur dessen Software entsprechend anpassen muß. Es zeichnet sich weiterhin durch folgende Eigenschaften aus:
- die erreichbare Genauigkeit der Dämpfungsbestimmung wird im wesentlichen nur durch die Qualität des der Sichtbarmachung des Faserkerns dienenden optischen Systems und der Leistungsfähigkeit des die Feldberechnung ausführenden Prozessors begrenzt;
- die Dämpfung des Spleißes kann richtungsabhängig bestimmt werden;
- vergleichsweise dicke und/oder dunkel eingefärbte Faserschutzschichten können die Messung nicht beeinträchtigen;
- die Spleißdämpf ng läßt sich für beliebige Betriebswellenlängen berechnen und - das Verfahren erlaubt eine einfache Anpassung an die jeweiligen Erfordernisse (z.B. hohe Genauigkeit, schnelle Messung) .
. Zeichnungen
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 den schematischen Aufbau eines modernen, weitgehend vollautomatisch arbeitenden thermischen Spleißgerätes; Figur 2 die relative Lage der Enden zweier zu verbindender optischer Fasern; a) nach der Annäherung und Grobpositionierung; b) nach der Ausrichtung bezüglich ihrer Außenkonturen und c) nach der Ausrichtung bezüglich ihrer lichtführenden Faserkerne; Figur 3 den schematischen Aufbau einer Glasfaser sowie das Profil n(r) der Brechzahl in der senkrecht zur Fa- serlängsachse orientierten Ebene;
Figur 4 die bei transversaler Durchleuchtung einer Glasfaser mittels einer Abbildungsoptik in der Sensorebene einer CCD-Kamera erzeugte Intensitätsverteilung ("Schattenbild" der Glasfaser); Figur 5 das Schattenbild der Glasfaser, deren Kern im Bereich des Spleißes einen lateralen Versatz aufweist; Figur 6 das Schattenbild einer Glasfaser, deren Kern im Bereich des Spleißes gebogen ist; Figur 7 das Schattenbild einer Glasfaser, deren Kern im Bereich des Spleißes aufgeweitet/gestaucht ist; Figur 8 das Schattenbild einer Glasfaser, bei der das den
Kern definierende Linienpaar aufgrund der Diffusion der Dotierstoffatome im Bereich des Spleißes eine geringere Helligkeit bzw. einen geringeren Kontrast aufweist als außerhalb der Erwärmungszone; Figur 9 die Unterteilung des dem Verfahren der Feldberechnung zugrundeliegenden, den Faserkern enthaltenden Raumes in Quader und Schichten.
5. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Das in Figur 1 nur schematisch dargestellte Spleißgerät erlaubt das weitgehend vollautomatische Verschweißen optischer Fasern. Die mit Hilfe eines zwischen zwei Elektroden gezündeten Lichtbogens (elektrische Glimmentladung) erzeugte, im folgenden kurz als "Spleiß" bezeichnete stoffschlüssige Verbindung der optischen Fasern ist frei von Einschlüssen, wobei die durch den Spleiß hervorgerufene Dämpfung im Mittel etwa L = 0,02 - 0,03 dB (identische Standard-Monomode-Glasfasern) beträgt. Das Verbinden der jeweils aus einem Kern (Brechzahl nKern) / einem Mantel (Brechzahl nMantei < nKern) und einer, ein- oder mehrschichtigen Umhüllung ("Coating") bestehenden Einmodenoder Mehrmoden-Glasfasern geschieht üblicher Weise durch das Ausführen der folgenden Verfahrensschritte:
a) Präparieren der Faserenden 1/2, d.h. sorgfältiges Entfernen der Faserumhüllungen, Reinigung der Faserenden 1/2 und Brechen der Fasern derart, daß die Faserendflächen annä- hernd senkrecht zur Faserlängsachse orientiert sind (Bruchwinkel < 0,8°; typischerweise 0,5°); b) Fixieren der Faserenden 1/2 in den Halterungen des Spleiß- geräts; c) Annähern und Ausrichten der Faserenden 1/2 mittels hoch- präziser Positioniereinheiten 3/4/5 unter Verwendung des
LID-Systems 6/7 (Local Injection and Detection) und/oder durch Videobildauswertung; d) Reinigen der Faserendflächen durch kurzzeitiges Erhitzen der Faserenden 1/2; e) Vorschub und Verschmelzen der Faserenden 1/2 durch Zünden eines elektrischen Lichtbogens zwischen zwei im Bereich der Faserenden 1/2 angeordneten Elektroden 8/9 und f) Überprüfen der Qualität des Spleißes (Messung der Spleißdämpfung, Überprüfung der Zugfestigkeit) .
Während die Verfahrensschritte a) und b) vom Bediener, also noch manuell ausgeführt werden müssen, laufen die unter c) bis f) angegebenen und weitere in [1] erwähnte Verfahrensschritte, insbesondere die Bestimmung des Bruchwinkels, der Qualität und des Verschmutzungsgrades der Faserendfl chen im Spleißgerät programmgesteuert ab.
Zur Durchführung dieser Verfahrensschritte ist das Spleißgerät mit folgenden Komponenten und Elementen ausgestattet:
- drei Positioniereinheiten 3/4/5 zur unabhängigen Verschiebung der jeweils in V-Nuten geführten Faserenden 1/2 in drei orthogonalen Raumrichtungen (x-, y- und z-Achse = Faserlängsachse) ,
- eine die Stellelemente (Stellmotoren, pizoelektrische Ak- tuatoren) der Positioniereinheiten 3/4/5 ansteuernde Kon- trolleinheit 10,
- einer aus einem optischen Sender 6 (Leuchtdiode, Biegekopp- ler) und einem optischen Empfänger 7 (Biegekoppler, Fotodiode, Verstärker) bestehenden Transmissionsmeßeinrichtung (LID-System, siehe beispielsweise [1]), - zwei optischen Systemen zur Projektion der Außenkonturen bzw. des Profils der beiden Faserenden 1/2 in zwei orthogonal zueinander orientierte Ebenen (x/z- bzw. y/z-Ebene) , wobei die optischen Systeme jeweils eine Lichtquelle 11/12 (Leuchtdiode) , eine Abbildungsoptik 13/14 und eine mit der Videoauswerteeinheit 15 verbundene die x/z- bzw. die y/z- Sensorebene definierende CCD-Kamera 16/17 aufweisen,
- einer Wärmequelle zum Erhitzen der Faserenden 1/2 auf die im Bereich zwischen etwa 1600 - 2000 °C liegende Schmelztemperatur, wobei die Wärmezufuhr im gezeigten Ausführungs- beispiel mittels einer zwischen zwei Elektroden 8/9 erzeugten und durch die Einheit 18 gesteuerte Glimmentladung erfolgt,
- eine eingangsseitig mit der Video-Auswerteeinheit 15 verbundene zentrale Steuerung 19, welche alle für das Spleißen notwendigen Schritte entsprechend dem gewählten Programm ausführt und überwacht sowie
- einen LCD-Monitor (nicht dargestellt) .
Nach dem Einlegen der Glasfasern in die Halterung des Spleiß- geräts stehen sich deren Enden 1/2 im allgemeinen nicht ausgerichtet gegenüber. Wie in Figur 2 schematisch in Seitenansicht dargestellt, weisen dann sowohl die Außenkonturen der Faserenden 1/2 als auch die Faserkerne C1/C2 einen nicht notwendigerweise gleich großen transversalen Versatz δκ bzw. δ auf. Durch Auswertung der mit Hilfe der beiden CCD-Kameras 16/17 aufgenommenen Projektionen der Faserenden 1/2 in der x/z-Ebene bzw. der y/z-Ebene wird nun der Versatz δκ der Au- ßenkonturen gemessen. Anschließend verschiebt man die Faserenden 1/2 mit Hilfe der von der Kontrolleinheit 10 angesteuerten Positioniereinheiten 3/4/5 in transversaler Richtung, d.h. in Richtung der x- und y-Achse solange, bis die Außen- konturen der Faserenden 1/2 fluchten, deren transversaler
Versatz δκ also sowohl in x- als auch in y-Richtung zumindest näherungsweise verschwindet (öκ « δKγ « 0) . Nach dieser als Feinpositionierung bezeichneten Ausrichtung liegen sich die Faserenden 1/2, wie in Figur 2b dargestellt, gegenüber. Deut- lieh zu erkennen ist der noch vorhandene, durch die exzentrische Lage der Faserkerne C1/C2 hervorgerufene Kernversatz δc.
Um einen Spleiß mit möglichst niedriger Dämpfung zu erzeugen, müssen die Faserenden 1/2 daher noch hinsichtlich ihrer Kerne C1/C2 ausgerichtet, also der Kernversatz δc beseitigt oder zumindest minimiert werden. Dies geschieht unter Einsatz des LID-Systems, welches die von einer Leuchtdiode des Senders 6 emittierte IR-Strahlung der Wellenlänge 800 nm < λ ≤ 1600 um, insbesondere λ = 1300 nm oder λ = 1550 nm, über den zugeord- neten Biegekoppler in die linke Glasfaser einspeist und die
Intensität der vom linken Faserende 1 in das rechte Faserende 2 eingekoppelten Strahlung mittels der aus einem zweiten Biegekoppler und einer Fotodioden-Verstärkereinheit bestehenden optischen Empfänger mißt. Die Faserenden 1/2 werden hierbei solange in transversaler Richtung verschoben, bis die im optischen Empfänger 7 des LID-Systems gemessene Strahlungsintensität ein Maximum erreicht, die Faserenden 1/2 somit die in Figur 2c dargestellte Position einnehmen (fluchtende und parallel zur z-Achse ausgerichtete Faserkerne C1/C2; kleiner, dem korrigierten Kernversatz δc entsprechender Konturversatz) .
Anschließend werden die Faserenden 1/2 durch Zünden des elektrischen Lichtbogens zwischen den Elektroden 8/9 aufgeheizt, einander angenähert und miteinander verschmolzen. Während dieses Vorgangs mißt das LID-System 6/7 laufend den Lichtdurchgang über die Spleißstelle. Erreicht die im optischen Empfänger 7 gemessene Intensität ein Maximum, ist die optimale Schweißdauer erreicht und der Schweißvorgang wird automatisch beendet. Durch Anwendung dieser als Automatic-Fusion- Time-Control bezeichneten Technik lassen sich die durch den Zustand der Elektroden 8/9 (nicht optimaler Abstand, Verschleiß usw.) und/oder durch Umwelteinflüsse (Feuchtigkeit, Luftdruck, Temperatur) hervorgerufenen, zu einer erhöhten Spleißdämpfung führenden Effekte weitgehend kompensieren.
Trotz aller Sorgfalt und Präzision während des Präparierens, Ausrichtens und Annäherns der Glasfasern 1/2 lassen sich ein Restversatz der Faserkerne C1/C2, eine Schiefstellung der Fa- serlängsachsen und/oder der Faserendflächen sowie ein Überhub (die angeschmolzenen Faserenden werden über das zulässige Maß hinaus einander angenähert und ineinander geschoben) in der Regel nicht vollständig vermeiden. Je nach Ausmaß/Größe dieser "Fehlstellungen" weicht die Geometrie des Faserkerns C1/C2 im Bereich des erzeugten Spleißes demzufolge mehr oder weniger Stark von derjenigen der ungestörten Faser ab. Da im wesentlichen nur der Faserkern das Licht transportiert, sind hauptsächlich Störungen der Kerngeometrie im Bereich des Spleißes für die Erhöhung der Dämpfung verantwortlich. Verfahren zur Bestimmung der Qualität eines Spleißes können somit nur dann hochpräzise Ergebnisse liefern, wenn die Kern- geometrie, d.h. die das Dämpfungsverhalten bestimmende räumliche Verteilung der Brechzahl n ( r ) an der Spleißstelle in die Berechnung der Dämpfung eingeht.
Beim vorgeschlagenen Verfahren wird die Spleißgeometrie mit— tels der im Spleißgerät vorhandenen optischen Systeme 11 - 17 dreidimensional erfaßt und daraus die den Spleiß und seine Eigenschaften (also auch die Dämpfung) exakt beschreibende räumliche Verteilung n ( r ) der Brechzahl abgeleitet. Im Einzelnen erfordert die Bestimmung der Spleißdämpfung die Aus- führung folgender, unten näher erläuterter Schritte: - dreidimensionale Erfassung der Spleißgeometrie und Berechnung der räumlichen Verteilung n(r) der Brechzahl;
- Festlegung der Feldverteilung ("Anfangsfeldverteilung" E (z0) ) einer in der Glasfaser ausbreitungsfähigen Mode
(entspricht beispielsweise dem Grundmodus LP0ι in einer sogenannten Monomode-Glasfaser) innerhalb eines in Strahlrichtung vor/hinter dem Spleiß liegenden Raumbe- reichs; - Berechnung der Feldverteilung ("Endfeldverteilung" E ( zn ) dieser Mode innerhalb eines in Strahlrichtung hinter dem Spleiß liegenden Raumbereichs und
- Berechnung der Dämpfung des Spleißes aus den den beiden Feldverteilungen zugeordneten Intensitätswerten.
Dreidimensionale Erfassung der Spleißgeometrie
Eine dem Transport elektromagnetischer Strahlung dienende, in Figur 3 mit 20 bezeichnete Glasfaser besteht beispielsweise aus einem Ge-dotierten Si02-Kern 21 (nKe--n = 1,48), einem den Kern 21 konzentrisch umhüllenden, auch als "Cladding" bezeichneten Si02-Mantel 22 (nMantei = 1/46) und einen Kern 21 und Mantel 22 vor äußeren mechanischen, thermischen und chemischen Einwirkungen schützenden, üblicherweise farbig ausge- führten und ggf. noch mit einer Ringmarkierung versehenen
Kunststoffhülle 23 ("Coating" ) . Bei einer Monomode-Glasfaser 20 beträgt der Kernglasdurchmesser typischerweise φKern = 9 μm, der Mantelglasdurchmesser typischerweise φMantei = 125 μ .
Da die Konzentration des Dotierstoffs in der Glasfaser 20 auf der Faserlängsachse OA einen konstanten Wert besitzt und in der dazu orthogonalen Ebene beispielsweise das im rechten Teil der Figur 3 dargestellte Profil aufweist, ist auch die räumliche Verteilung der Brechzahl n(F) radialsymmetrisch bezüglich der Faserlängsachse OA (n(r)= n(r,z=z0)). Aufgrund der schon erwähnten Effekte (Versatz der Faserkerne, Schiefstellung der Faserendflächen usw. vor dem Verspleißen) weicht die räumliche Verteilung der Brechzahl n ( r ) im Bereich des Spleißes unter Umständen deutlich von der Brechzahlverteilung n0 ( r ) der ungestörten Glasfaser ab. Wie bereits erläutert, ist im wesentlichen nur die Verformung des lichtführenden Be- reiches, also des Faserkerns 21 für den Intensitätsverlust an der Spleißstelle verantwortlich. Für die Berechnung der Dämpfung reicht daher die Kenntnis der räumlichen Verteilung n ( r ) der Brechzahl innerhalb eines den Kern 21 enthaltenden und sich beispielsweise nur 20 - 40μm in transversaler Rich- tung (x/y-Ebene) erstreckenden Volumens aus.
Aufnahme von Bildern des Spleißes
Figur 4 zeigt die von der Abbildungsoptik 14 auf der die x/z- Ebene definierende Sensorfläche 17' der CCD-Kamera 17 erzeugte Intensitätsverteilung, wenn man eine ihrer Schutzschicht 22 entkleidete Glasfaser 20 durch Aktivieren der Lichtquelle 12 in transversaler Richtung (x-Richtung) durchleuchtet. Deutlich zu erkennen sind die Außenkonturen 22' (äußerer Rand des Fasermantels 22) der Glasfaser 20, die beiden durch den Zylinderlinseneffekt hervorgerufenen Dunkelzonen 24/24' und das Bild des Faserkerns 21 (Linienpaar 21')- Ein entsprechendes Schattenbild erzeugt das aus der Lichtquelle 11 und der Abbildungsoptik 13 bestehende System auf der die x/z-Ebene definierenden Sensorfläche der CCD-Kamera
16. Über die Videoauswerteeinheit 15 werden die beiden Inten- sitätsverteilungen der mit einem leistungsfähigen Mikroprozessor ausgestatteten Steuerung 19 zugeführt und dort in digitaler Form abgespeichert.
Direkte Berechnung der Verteilung n ( r ) der Brechzahl aus dem
Bild des Spleißes
Besitzen die optischen Systeme des Spleißgeräts eine ausrei- chend hohe Auflösung, kann man die räumliche Verteilung der Brechzahl n ( r ) aus den aufgenommenen Bildern, beispielsweise mit Hilfe der in [3] beschriebenen Verfahren, direkt berech- nen. Hierbei werden keine zusätzlichen Informationen benötigt, noch muß die Verteilung der Brechzahl in irgend einer Weise standardisiert sein. Von Nachteil ist allerdings die erforderliche, hohen Ansprüchen genügende und damit ver- gleichsweise teure Abbildungsoptik und der bei einigen Verfahren zusätzlich notwendige Aufwand zur Erzeugung von Interferenzaufnahmen.
Ableitung der Verteilung der Brechzahl n(r) aus einer Basis- Verteilung n0 ( f )
Um die räumliche Verteilung der Brechzahl n ( r ) im Bereich des Spleißes zu bestimmen, wird eine sogenannte Basisverteilung n0 ( f ) der Brechzahl mittels geeigneter, aus den aufge- nommenen Bildern des Spleißes gewonnener Parameter modifiziert. Als Basisverteilung n0 ( f ) dient insbesondere die räumliche Verteilung der Brechzahl in der ungestörten Glasfaser. Letztere ist bei Verwendung bestimmter Typen von Glasfasern (Standardfaser, dispersionsverschobene Faser, erbiumdo- tierte Faser usw.) bekannt oder läßt sich dem Datenblatt entnehmen bzw. beim Hersteller erfragen. Stehen entsprechende Informationen nicht zur Verfügung, läßt sich die Verteilung n0 ( r ) der Brechzahl der ungestörten Faser beispielsweise mittels der in [4] beschrieben Verfahren experimentell be- stimmen.
In der Praxis ist es von Vorteil, die als Basisverteilung n0 ( f ) dienende räumliche Verteilung der Brechzahl der ungestörten Faser für die verschiedenen, häufiger eingesetzten Fasertypen vorab zu ermitteln und im Spleißgerät, ggf. in parametrischer Form abzuspeichern. Da die in der Nachrichtenübertragung verwendeten Glasfasern meist in Richtung ihrer Längsachse OA homogen und rotationssymmetrisch bezüglich dieser Achse OA aufgebaut sind, besitzt auch die Verteilung der Brechzahl eine entsprechende Symmetrie, d.h. das sogenannte Brechzahlprofil n(r, z0) (r: lateraler Abstand von der Faser- längsachse OA) beschreibt die Verteilung der Brechzahl vollständig.
Die folgenden Beispiele erläutern die notwendigen Schritte zur Bestimmung der in die Berechnung der Dämpfung eingehenden Verteilung n(r ) im Bereich des Spleißes durch Modifikation einer Basisverteilung n0(r). Die dämpfungserhöhend wirkenden, in der Praxis meist gleichzeitig auftretenden Effekte und Mechanismen werden der Übersichtlichkeit halber getrennt darge- stellt. Die für eine Wellenlänge λl ermittelte Verteilung nu ( r ) der Brechzahl läßt sich hierbei mit Hilfe der sogenannten Sellmaier-Reihe (Siehe beispielsweise [5]) in die entsprechende Verteilung nλ2 ( r ) bei einer anderen Wellenlänge λ2 umrechnen.
Versatz der Faserkerne
Im Idealzustand besitzen Kern und Mantel der beiden miteinander verbundenen Glasfasern auch im Bereich des Spleißes die- selbe, mit der z-Achse zusammenfallende Symmetrieachsen. Aufgrund einer Fehlpositionierung zumindest einer der beiden Glasfasern vor der Verschmelzung (nicht fluchtende Ausrichtung) kommt es aber zu einem die Lichtausbreitung störenden, dämpfungserhöhend wirkenden Kernversatz im Bereich der Spleißstelle 25 (siehe Fig. 5) . In den von den Abbildungsoptiken 13/14 auf den Sensorflächen der CCD-Kameras 16/17 jeweils erzeugten Intensitätsverteilungen der Spleißstelle beobachtet man daher einen dem Versatz proportionale laterale Verschiebung der die jeweiligen Kerne repräsentierenden Lini- enpaare 2l'/2l" bezüglich der z-Achse, wobei die den lateralen Abstand xm/ym der Kernmittelpunkte von der z-Achse beschreibende Kurve den im rechten oberen Teil der Figur 5 schematisch dargestellten stufenförmigen Verlauf zeigt.
Besitzt die räumliche Verteilung Ωo [ r ) der Brechzahl der ungestörten Glasfaser (Basisverteilung) in transversaler Richtung beispielsweise ein im unteren Teil der Figur 4 darge- stelltes Stufenprofil, berechnet sich daraus die gesuchte, die den realen Verhältnissen nahekommende Brechzahlverteilung n ( r ) , indem man die Basisverteilung no ( f ) gemäß Gleichung (1) modifiziert.
n(r,z) = n0(r'+ Δr, z) (1)
Δr2 = xm 2 ( z) + ym 2 ( z) xm: laterale Verschiebung des Kernmittelpunkts in der x/z-Ebene ym: laterale Verschiebung des Kernmittelpunkts in der y/z-Ebene
Auf der z-Achse ändert sich somit das Brechzahlprofil ent- sprechend dem rechten unteren Teil der Figur 5.
Um die lateralen Abstände xm(z)/ym(z) des Fasermittelpunktes von der im Schattenbild eingezeichneten z-Achse mit großer Genauigkeit aus den Bildern zu extrahieren, wird der Versatz des den Faserkern 21 repräsentierenden Linienpaares 2l'/2l" bezüglich einer vorzugsweise am linken oder rechten Bildrand liegenden Referenzposition gemessen. Hierbei kann beispielsweise das in [6] beschriebene Korrelationsverfahren zur Anwendung kommen .
Falls das optische System des Spleißgerätes keine Abbildungen/Sichtbarmachung des Faserkerns 21 erlaubt, kann in erster Näherung angenommen werden, daß der Kern 21 seine Lage relativ zur Außenkontur der Faser während des Verschmelzens nicht signifikant ändert. Der laterale Abstand der Kernmitte zu der im Schattenbild eingezeichneten z-Achse entspricht dann näherungsweise dem lateralen Abstand des Mittelpunktes der Faseraußenkontur 22' von dieser Achse. Verbiegung des Faserkerns
Zu einer Verbiegung des Faserkerns im Bereich des Spleißes kommt es beispielsweise aufgrund der exzentrischen Lage zumindest eines der beiden Kerne innerhalb der jeweiligen Glasfaser und/oder der Nichtparallelität der sich gegenüberstehenden Faserendflächen vor der Verschmelzung. Die beiden Ab- bildungsoptiken 13/14 des Spleißgerätes erzeugen dann jeweils ein im linken Teil der Figur 6 schematisch dargestelltes Schattenbild des Spleißes. Außerhalb der Erwärmungszone 26 soll der Mittelpunkt des Faserkerns im folgenden auf der z- Achse liegen, in der Mitte 25 des Spleißes hingegen um Δx(zs) bzw. Δy(zs) in lateraler Richtung versetzt sein. Auf der z- Achse ändert sich der laterale Abstand Δx(z)/Δy(z) der Kernmitte daher gemäß der im rechten oberen Teil der Figur 6 dargestellten Funktion, welche in der Mitte 25 des Spleißes (Koordinate zs) ein Minimum durchläuft.
Um die den realen Verhältnissen angenäherte räumliche Verteilung der Brechzahl im Bereich des Spleißes zu erhalten, wird die Basisverteilung no(r) entsprechend dem gemessenen lateralen Abstand Δx(z)/Δy(z) der Kernmitte von der z-Achse in la- teraler Richtung verschoben. Der rechte untere Teil der Figur 6 zeigt die verschiedenen z- Werten zugeordneten Profile n(r,z) der Brechzahl.
Querschnittsänderung des Faserkerns
Falls die beiden zu verbindenden Glasfasern während des Spleißvorgangs gestaucht oder auseinandergezogen werden, kommt es zu einer die Dämpfung beeinflussenden Aufweitung bzw. Verjüngung des Faserkerns und der Außenkontur im Bereich des Spleißes. Im erzeugten Schattenbild des Spleißes (Siehe Figur 7) weisen dann die den Faserkern vom Fasermantel abgrenzenden, außerhalb der Spleißstelle annähernd parallel zur z-Achse verlaufenden Linien 21' einen gegenüber den am Bildrand liegenden, ungestörten Bereichen vergrößerten/verminderten Abstand voneinander auf. Der rechte obere Teil der Figur 7 zeigt die funktionale Abhängigkeit der Verbreiterung Δdx/y des Kerndurchmessers entlang der z-Achse. In der Mitte 25 des Spleißes ist die Breite dx/y(zs) des Kerns maximal. Das durch
Vx/y(z): = [dχy(z) ]/[dx/y(z0) ] (2)
dx/y(z) : Abstand des Linienpaares 21 λ an einer Stelle z im Bereich des Spleißes
dx/y(z0): Abstand des Linienpaares 21 x an einer Stelle z0 außerhalb der Erwärmungszone
gegebene Verhältnis Vx/y(z) definiert somit ein Maß für die Querschnittsänderung des Faserkerns.
Um die Verteilung der Brechzahl an der Spleißstelle zu erhalten, wird die Basisverteilung n0(r) entsprechend dem Verhältnis VX//y(z) in der x/y-Ebene gestaucht oder gestreckt, so daß man beispielsweise das im rechten unteren Teil der Figur 7 schematisch dargestellte Brechzahlprofil an verschiedenen Stellen der z-Achse erhält.
Steht kein hochwertiges Abbildungssystein zur Verfügung (Kern nicht sichtbar im Schattenbild) läßt sich die Querschnittsän- derung des Faserkerns zumindest näherungsweise mit der Quer- schnittsänderung der Außenkontur (in Figur 7 nicht dargestellt) gleichsetzen. Es genügt somit die Vermessung der Faseraußenkonturen 22' im jeweiligen Schattenbild, um den auf die Basisverteilung anwendbaren Stauchungs- bzw. Dehnungsfak- tor Vx/y(z) zu bestimmen. Diffusion des Dotierstoffs im Bereich des Spleißes
Während des Erwärmens der Glasfasern im Lichtbogen, beginnen die für die unterschiedliche Brechzahl von Kern und Mantel erantwortliche Dotierstoff in der durch den Gradienten der Konzentration vorgegebenen Richtung, also vorwiegend in lateraler Richtung nach außen in den Mantel zu wandern. Dieser Vorgang führt zu einer die Dämpfung beeinflussenden Änderung des Brechzahlprofils .
Da die Konzentration des Dotierstoffes an der Grenze Kern/Mantel als Folge der Diffusion abnimmt, verringert sich an der Spleißstelle der Bildkontrast, d.h. das den Faserkern repräsentierende Linienpaar 21' erscheint im erzeugten Schattenbild, insbesondere in der Mitte 25 des Spleißes, weniger dunkel als beispielsweise außerhalb der Erwärmungszone 26 (Siehe Figur 8) . Die durch Diffusion hervorgerufene Änderung Δpx/y der Dotierstoffkonzentration auf der z-Achse folgt hierbei näherungsweise der im rechten oberen Teil der Figur 8 dargestellten Glockenkurve.
Um die Verteilung der Brechzahl n(r,z) am Spleiß zu erhalten, wird die Basisverteilung n0(r,z0) mit einem vom Verhältnis
Kx/y(z) := Hx/y(z)/Hx/y(z0) (3)
Hx/y(z) : Helligkeit/Intensität der Kerngrenze an einer Stelle z im Bereich des Spleißes
Hχ/y(z0): Helligkeit/Intensität der Kerngrenze an einer Stelle Zo außerhalb der Erwärmungszone abhängigen Parameter Sx/y(z)= f(Kx/y(z)) in lateraler Richtung gestaucht oder gestreckt, so daß die gesuchte Verteilung n(r) das im rechten unteren Teil der Figur 8 dargestellte Profil auf der z-Achse aufweist. Als Parameter Sx/y(z) kann nähe- rungsweise auch das Verhältnis Kx/y(z) dienen.
Ist der Kern in den Schattenbildern nicht zu erkennen (einfaches optisches System) läßt sich durch Messung der Spleißtemperatur (z.B. direkt oder indirekt über die Helligkeit der erhitzten Faser) oder aus der am Spleißgerät eingestellten Erwärmungstemperatur auf die Stärke der Diffusion und damit auf den Streckungs-/Stauchungsfaktor rückschließen.
Festlegung der Anfangsfeldverteilung
Die in die Berechnung der Spleißdämpfung eingehende Anfangsfeldverteilung E 0 ( r ) entspricht der aus der Basisverteilung n0 ( f ) der Brechzahl für eine gegebene Wellenlänge und den zugeordneten Raumbereich abgeleitete Ortsabhängigkeit des elektrischen Feldes einer in der Glasfaser ausbreitungsfähigen Mode (z.B. Grundmode LP0ι einer Monomode-Glasfaser) . Verfahren zur Berechnung der Feldverteilung aus einer vorgegebenen räumlichen Verteilung der Brechzahl sind beispielsweise aus [7,8] bekannt.
Berechnung der Endfeldverteilung
Aus der dem ausbreitungsfahigen Mode zugeordnete Anfangsfeldverteüung E 0 ( r ) in einem den Faserkern einschließenden und vor dem Spleiß liegenden ersten Raumbereich wird die im folgenden Endfeldverteilung E n ( r ) genannte Ortsabhängigkeit des elektrischen Feldes der sich vom ersten Raumbereich über den Spleiß ausbreitenden Mode innerhalb eines in Ausbreitungs- richtung hinter dem Spleiß liegenden zweiten Raumbereich mit- tels eines der in [9 - 11] beschriebenen Beam Propagation- Verfahren (BPM) berechnet. Die BPM benötigt zunächst die Brechzahlverteilung an diskreten Punkten im Raum, den man beispielsweise in gleich große Quader unterteilt. Die Kantenlänge eines Quaders kann in z- Richtung beispielsweise 0,5 μm, in x- und y-Richtung jeweils 0,25 μm betragen (siehe Figur 9), wobei alle Quader mit derselben z-Koordinate einen als Schicht bezeichneten Raumbereich bilden. Jeder Quader wird als homogen bezüglich der Brechzahl angenommen, d.h. die Brechzahl ändert sich innerhalb des jeweiligen Quaders nicht.
Da man die Verteilung der Brechzahl nicht mit der für die BPM geforderten Genauigkeit aus den oben beschriebenen Messungen bestimmen kann, werden die fehlenden Datenpunkte per Interpolation (beispielsweise durch Splines) ermittelt. Dies ist auch ohne weiteres möglich, da sich die Brechzahl zwischen zwei gerade noch durch das Abbildungssystem aufgelösten Raumpunkten nur sehr wenig ändert.
Liegt das ein in der Glasfaser ausbreitungsfähige Mode be- schreibende und aus der Basisverteilung n0 ( r ) abgeleitete elektrische Feld £0(x, y, Zo) (im folgenden E (z0) genannt) an den Mittelpunkten der Quaderstirnflächen der ersten Schicht (symbolisiert durch schwarze Punkte in Figur 9) vor, berechnet die BPM aus dieser Anfangsfeldverteilung und den Brechzahlen der ersten Schicht das elektrische Feld E (x, y, zo + Δz) zwischen der ersten und der zweiten Schicht und daraus wieder das elektrische Feld E (x, y, z0 + 2Δz) zwischen der zweiten und dritten Schicht. Führt man das Verfahren in- terativ fort, liefert die BPM schließlich das die Endfeldver- teilung repräsentierende elektrische Feld E n (x, y, Zo + nΔz) (im folgenden E (zn) genannt) an der endseitigen Fläche der letzten Schicht.
Es existieren zahlreiche Varianten der BPM, wobei die ge- wünschte Genauigkeit, der erforderliche Rechenaufwand und die tolerierbare Rechenzeit die Auswahl des anzuwendenden Verfahrens bestimmt. So läßt sich der Rechenaufwand und somit die Rechenzeit bei vorgegebener Rechnerleistung verringern, indem man ein mit einer paaraxialen Näherung (slowly varying enve- lope approximation) arbeitendes Verfahren benutzt (Spleißgeometrie weicht nur unwesentlich von derjenigen der ungestörten Faser ab) , eine skalare BPM anwendet (schwache transversale Modenkopplung) oder man die dreidimensionale Verteilung der Brechzahl, bei- spielsweise mit der Methode des effektiven Index, auf ein zweidimensionales Problem zurückfuhrt (einfache Spleißgeometrie) .
Berechnung der Spleißdampfung
Aus der Anfangsfeldverteilung E ( z0) der Endverteilung E (zn) bzw. den entsprechenden Intensitäten I(z0) bzw. I(zn) läßt sich die Spleißdampfung dann durch
Figure imgf000021_0001
berechnen. Die obige Formel setzt voraus, daß E(zn) eine sich auch über größere Strecken in der Faser ausbreitende Mode beschreibt. Enthält die Endfeldverteilung E (zn) auch Beträge nicht ausbreitungsfähiger Moden, so muß E (zn) zunächst gemäß Gleichung (4) zerlegt werden, wobei v die Ordnung der höchsten noch ausbreitungsfähigen Mode und w die Ordnung der höchsten m E (zn) enthaltenen Mode bezeichnet.
E(zπ) = ∑E, (z„) + ∑E.(z : 5 )
1=0 J=v+1
Demzufolge repräsentiert die Große Σ E 1 { zn) die Gesamtfeldverteilung der ausbreitungsfahigen Moden und ΣE-, ( zn) die Gesamtfeldverteilung der nicht ausbreitungsfahigen Moden, wobei in die Berechnung der Dämpfung die nur aus Σ E i ( zn) abgeleitete Intensität I(zn) eingeht.
Die Bestimmung der Εndfeldverteilung aus der Anfangsfeldver- teilung erfordert einen hohen Rechenaufwand, so daß es je nach Leistungsfähigkeit des im Spleißgerät eingebauten Prozessors relativ lange dauern kann, bis die Spleißdämpfung auf dem Bildschirm angezeigt wird. Dies läßt sich vermeiden, indem man die Berechnung der Εndfeldverteilung nicht mehr di- rekt im Gerät sondern vorab beim Hersteller durchführt. Dort bestimmt man aus einer großen Anzahl aufgenommener Spleißgeometrien und den mit einem leistungsfähigen Prozessor berechneten Dämpfungswerten die für die Dämpfung relevanten Parameter. Diese Parameter müssen nicht notwendigerweise eine phy- sikalische Entsprechung (z.B. Kernversatz usw.) haben. Verfahren zur Bestimmung solcher Parameter sind unter der Bezeichnung Hauptkomponenten oder Faktorenanalyse oder Karhu- nen-Loeve-Zerlegung aus der Statistik oder Physik bekannt. Der funktionale Zusammenhang der Parameter mit der berechne- ten Dämpfung definiert ein Kennfeld, das in jedem Spleißgerät abgespeichert wird. Die Funktion des Gerätes reduziert sich dann darauf, den erzeugten Spleiß anhand der Parameter zu klassifizieren und die zugeordnete Dämpfung aus dem Kennfeld auszulesen.
6. Literatur
[1] ICCS and Future- Link; Katalog 1998; Siemens-Communica- tion-Cabel Networks; S. 107 - 116. [2] EP 0 326 988 Bl
[3] D. Marcuse "Principles of optical fiber measurements",
Acad. Pr., 1981, ISBN 0-12-470980-X; S. 150 - 165 [4] H.-G. Unger, "Optische Nachrichtentechnik", Hüthig, 1993, ISBN 3-7785-2261-2; S. 648 - 671 [5] Electronic Letters, Vol. 14, No . 11, May 1978; S. 326 - 328 [6] W. Lieber, Th. Eder "Verfahren zur Ausrichtung zweier
Lichtwellenleiter-Faserenden und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens", EP-An . 90109388.0, 17.05.1990 [7] Siemens Forschungs- und Entwicklungsbericht, Band 14, Nr. 3, 1985; S. 89 - 96
[8] Journal of Lightwave Technology, Vol. 12, No . 3;
S. 487 - 494, March 1994 [9] IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 4, No . 2, S. 148 - 151, February 1992 [10] Journal of Lightwave Technology, Vol. 10, No . 3; Ξ. 295 - 305, March 1992 [11] IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 5, No . 9; Ξ. 1073 - 1076, September 1993

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung der Dämpfung eines zwei optische Wellenleiter verbindenden Spleißes durch Ausführen der fol- genden Schritte:
a) Bestimmung oder Vorgabe einer ersten räumlichen Verteilung der Brechzahl (n0(r ) ) innerhalb eines nicht durch den Spleiß beeinflußten ersten Raumbereichs eines ersten optischen Wel- lenleiters, b) Bestimmung einer zweiten räumlichen Verteilung (n(r ) )der Brechzahl im Bereich des Spleißes, c) Ableitung einer ersten Feldfunktion (E (z0) ) aus der ersten räumlichen Verteilung (n0(r ) ) der Brechzahl, wobei die erste Feldfunktion (E (z0) ) die Ortsabhängigkeit des elektrischen Feldes einer in den Wellenleitern ausbreitungsfahigen Mode beschreibt. d) Berechnung einer zweiten Feldfunktion (E (zn) )aus der ersten Feldfunktion (E (z0)) und der zweiten räumlichen Vertei- lung der Brechzahl (n(r ) ), wobei die zweite Feldfunktion (E (zn) ) die Ortsabhängigkeit des elektrischen Feldes, die sich vom ersten Raumbereich über den Spleiß ausbreitenden Mo- des innerhalb eines nicht durch den Spleiß beeinflußten zweiten Raumbereichs des zweiten optischen Wellenleiters be- schreibt, e) Berechnung einer ersten Intensität (I(z0)) und einer zweiten Intensität (I(zn)) aus den zugeordneten Feldfunktionen
(E (zo) , E (zn) ) , und f) Berechnung der vom Verhältnis der beiden Intensitäten (I(z0), I(zn)) abhängigen Dämpfung (L) des Spleißes.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfung (L) des Spleißes gemäß der Beziehung
Figure imgf000024_0001
berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite räumliche Verteilung (n ( r ) ) der Brechzahl durch transversale Bestrahlung des Spleißes mit Licht und Auswertung der in Strahlrichtung hinter dem Spleiß erzeugten Intensitätsverteilung oder des Schattenbildes bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter und der Spleiß aus zwei, einen Winkel ≠ 180° einschließenden Richtungen durchleuchtet werden, und daß die transmittierte Strahlung jeweils mittels einer Optik (13, 14) auf eine eine Ebene definierendes Sensor- oder Detektorelement (16, 17) abgebildet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils durch das Sensor- oder Detektorelement (16, 17) definierten Ebenen einen Winkel von annähernd 90° einschließen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Versatz des Mittelpunktes des lichtführenden Kerns der Wellenleiter im Bereich des Spleißes zumindest in einer ersten Raumrichtung aus dem Schattenbild bestimmt wird, daß die erste räumliche Verteilung der Brechzahl entsprechend dem Versatz des lichtführenden Kerns in der entsprechenden Raumrichtung verschoben wird und daß die modifizierte erste räumliche Verteilung der Brechzahl die zweite räumliche Verteilung der Brechzahl repräsentiert.
7 . Verfahren nach Anspruch 6 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Versatz des lichtführenden Kerns aus dem Versatz der Mittellinie der Außenkontur der Wellenleiter im Bereich des Spleißes abgeleitet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verjüngung oder Aufweitung des lichtführenden Kerns der Wellenleiter im Bereich des Spleißes zumindest in einer ersten Raumrichtung aus dem Schattenbild bestimmt wird, daß die erste räumliche Verteilung der Brechzahl in der entsprechenden Raumrichtung mit einer dem Verhältnis [dx/y (z) ] / [dx/y (z0) ] proportionalen Faktor gestaucht oder gestreckt wird, wobei dx/y(z0) die Breite des Kerns an einer nicht durch den Spleiß beeinflußten Stelle z0 der Wellenleiter und dx/y(z) die Breite des Kerns an einer im Bereich des Spleißes liegenden Stelle z bezeichnen und daß die entspre- chend gestauchte oder gedehnte erste räumliche Verteilung der Brechzahl die zweite räumliche Verteilung der Brechzahl repräsentiert .
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung oder Aufweitung oder des lichtführenden Kerns aus der Verjüngung bzw. Aufweitung der Außenkontur der Wellenleiter im Bereich des Spleißes abgeleitet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Helligkeit eines den lichtleitenden Kern vom Mantel des Wellenleiters abgrenzenden Randes des in zumindest einer der beiden Schattenbilder im Bereich des Spleißes und in ei- nem nicht vom Spleiß beeinflußten zweiten Bereich gemessen werden, daß die erste räumliche Verteilung der Brechzahl gemäß einem von den gemessenen Helligkeiten abhängigen Faktor räumlich modifiziert wird, und daß die modifizierte erste räumliche Verteilung der Brechzahl die zweite räumliche Verteilung der Brechzahl repräsentiert.
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