DE69008299T2

DE69008299T2 - Automatische Laserverschweissung für Lichtwellenleiterspleiss mit hoher Zugfestigkeit.

Info

Publication number: DE69008299T2
Application number: DE69008299T
Authority: DE
Inventors: Lee R Hinze; Hui-Pin Hsu; Soon Jang
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1989-10-20
Filing date: 1990-10-05
Publication date: 1994-08-04
Anticipated expiration: 2010-10-06
Also published as: JPH0530810U; EP0423994A1; JPH03146910A; CA2024722A1; NO904315D0; DE69008299D1; US5016971A; IL95625A; ES2051478T3; EP0423994B1; CA2024722C; TR25431A; KR910008442A; NO904315L

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die optische Fasertechnologie. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Techniken zum Verspleißen optischer Fasern.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf illustrierende Ausführungsformen für bestimmte Anwendungen beschrieben worden ist, wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist. Diejenigen, die über die nötigen Fachkenntnisse verfügen und Zugang zu den hier bereitgestellten Lehren haben, werden zusätzliche Modifikationen, Anwendungsmöglichkeiten und Ausführungsformen innerhalb des Schutzbereiches finden, sowie zusätzliche Bereiche, in denen die vorliegende Erfindung von erheblicher Brauchbarkeit ist.
Gegenwärtig haben nur einige wenige optische Faser-Hersteller die Fähigkeit, lange Fasern mit hoher Qualität, hoher Festigkeit bzw. Stärke und niedrigen Verlusten herzustellen. Demgemäß wird immer öfter das Verspleißen optischer Fasern notwendig, um die Forderungen nach bestimmten Anwendungen zu erfüllen.
Das Verspleißen optischer Fasern mit hoher Stärke und niedrigen Verlusten bedingt 1.) eine geeignete Faservorbereitung, 2.) eine geeignete Faserausrichtung vor der Verschmelzung, 3.) das Zusammenführen und das Aufeinandertreffenlassen der Fasern während des Schmelzvorganges; und 4.) die Anwendung eines präzisen Temperaturprofiles während des Schmelzvorganges und des nach der Schmelzung stattfindenden Ausglüh- bzw. Tempervorganges.
Die Kontrolle des Temperaturprofiles ist von besonderer Wichtigkeit. Das Temperaturprofil betrifft das Zeitverhalten der Anwendung von spezifischen Beträgen thermischer Energie über kontrollierte Zeitdauern hinweg. Die Faserverspleißung mit einer nicht adäquaten Kontrolle des Temperaturprofils kann zu thermischen Schocks führen, was die strukturelle Zerstörung der Faser bedeutet.
Konventionelle Faserspleißtechniken umfassen die Wasserstoff/Sauerstoff-Flammenausheizung, das H-Cl-Gas-Flammenspleißen und die elektrische Bogenverschmelzung. Die Wasserstoff/Sauerstoff-Flammenausheizung erlaubt keinen automatisierten Prozeß. Die Temperatur der Faser muß von der Bedienperson kontrolliert werden. Demgemäß ist die Qualität des Spleißes inkonsistent, und zwar jeweils in Abhängigkeit der Fertigkeit der Bedienperson. Es ist gleichfalls schwierig, die Fasern auszurichten und ihre Bewegung zu steuern, und zwar mit der Präzision, die für die Erzielung eines Spleißes mit niedrigen Verlusten nötig ist. Daher leiden Wasserstoff/Sauerstoff-Flammenausheizungen unter einem geringen Ausstoß mit hoher Stärke, niedrigen Verlusten, und einer hohen Qualität der optischen Faser, und zwar wegen der minderwertigen Kontrolle des Temperaturprofils, der Ausrichtung und der Bewegung der Faser.
Die H-Cl-Gas-Flammenspleißung ist dahingehend bekannt, als daß sie zu einer hohen Ausbeute an Spleißen mit hoher Stärke führt, aber es ist herausgefunden worden, daß H-Cl-Gas extrem gefährlich ist.
Die elektrische Bogenverschmelzung erlaubt einen automatisierten Prozeß, bei dem ein mittels eines Computers gesteuerter Faser-Positionierer die Faserenden mit der Oberfläche-zur-Oberfläche ausrichtet, und zwar solange, bis eine optimale Übertragung durch den Übergang erreicht wird. Eine hohe Spannung wird an zwei Elektroden angelegt, die eine elektrisch induzierte Wärme erzeugen. Mit einem geeigneten Temperaturprofil erreicht die Temperatur der Faser den Schmelzpunkt des Glases, die Oberflächenspannung zieht die Faserenden aneinander und die Enden werden verschmolzen. Bei einer unzureichenden Wärme wird das Glas indessen nicht schmelzen. Bei einer überschüssigen Wärme schmelzen die Fasern voneinander fort.
Während die elektrische Bogenverschmelzung dahingehend effektiv ist, als daß sie zu Spleißen hoher Festigkeit führt, weist sie einige Nachteile auf. Zunächst ist es, genau wie bei der Ausheizungs- und Flammenspleißung etwas schwierig, das Temperaturprofil mit dieser Technik zu kontrollieren. Zweitens zeigen die ionisierten Luftgase, die bei den Elektroden erzeugt werden, die Tendenz, die Schmelzoberflächen zu kontaminieren. Als Folge der obigen Probleme neigt diese Technik dazu, zu inkonsistenten Ergebnissen zu führen.
Andere Beispiele nach dem Stand der Technik für Vorrichtungen zum Verspleißen von optischen Fasern sowie Verfahren sind in der DE-A-3 019 425 und der EP-A-0 292 146 beschrieben. Von diesen beschreibt die DE-A-3 019 425 ein optisches Faserspleißsystem mit:
einer Positioniervorrichtung zum Bewegen von Endteilen von wenigstens zwei optischen Fasern soweit, bis die Endteile bei einem Spleißort sich in relativer Ausrichtung zueinander befinden;
einer Quelle zur Bereitstellung eines Energiestrahles mit hoher Intensität;
einer Vorrichtung zum Führen des Energiestrahles mit hoher Intensität entlang eines Strahlpfades, der den Spleißort schneidet; und
einer Fokus-Regelvorrichtung zum Einstellen des Fokusses des Strahles, wodurch das Temperaturprofil der Energie bei dem Spleißort eingestellt wird.
Indessen besteht nach wie vor ein Bedarf im Stand der Technik an einem Spleißsystem für optische Fasern, das eine bessere Regelung der Spleißtemperatur ohne Kontaminationen erlaubt. Weiterhin besteht Bedarf an einem System, das Schmelzwärme aufzuwenden in der Lage ist, ohne dabei die Ausrichtung der Faserenden zu stören und ohne die Faser einem thermischen Schock auszusetzen. Schließlich besteht ein Bedarf an einem System, das eine Schmelzverspleißung mit gleichmäßig hoher Festigkeit und niedrigen optischen Verlusten ermöglicht.
Dieser Bedarf in dem Stand der Technik wird durch die vorliegende Erfindung gedeckt, die für ein verbessertes optisches Faserspleißsystem sorgt. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Spleißsystem für optische Fasern:
eine Positioniervorrichtung zum Bewegen von Endteilen von wenigstens zwei optischen Fasern soweit, bis die Endteile sich bei einem Spleißort in relativer Ausrichtung zueinander befinden;
eine Quelle zur Bereitstellung eines Energiestrahles mit hoher Intensität;
eine Vorrichtung zum Führen des Energiestrahles mit hoher Intensität entlang eines Strahlpfades, der den Spleißort schneidet; und
eine Fokus-Regelvorrichtung zum Einstellen des Fokusses des Strahles und zum entsprechenden Einstellen des Temperaturprofiles der Energie bei dem Spleißort; gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung, die einen Mikroprozessor enthält, der ausgelegt ist, die Fokus-Regelvorrichtung derart zu betreiben, dar sie für ein optimales Temperaturprofil über die unterschiedlichen Stufen des Spleißvorganges hinweg sorgt.
Die vorliegende Erfindung sorgt weiterhin für ein Verfahren zum Verspleißen von Endteilen von wenigstens zwei optischen Fasern, das die Schritte enthält:
a) Positionieren eines Endes einer jeden der wenigstens zwei optischen Fasern in relativer Ausrichtung bei einem Spleißort;
b) Führen eines Energiestrahles mit hoher Intensität zu dem Spleißort; und
c) Einstellen des Fokusses des Strahles und dadurch des Temperaturprofils der Energie, die an dem Spleißort aufgewendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß
d) der Fokus des Strahles mittels einer Regeleinrichtung geregelt wird, die einen Mikroprozessor enthält, um für ein optimales Temperaturprofil über eine jede der unterschiedlichen Stufen des Spleißvorganges hinweg zu sorgen.
Einzelne Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden beispielhaft beschrieben, und zwar unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung, in der zeigt:
Fig. 1 ein funktionales Blockdiagramm des Spleißsystemes für optische Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine vereinfachte perspektivische Darstellung des Spleißsystemes für optische Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 3 ein Blockdiagramm, in dem die elektrischen Verbindungen zwischen den zentralen Komponenten des Systemes gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt sind.
Fig. 1 stellt ein funktionales Blockdiagramm eines Spleißsystemes 11 für optische Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Das System 11 enthält einen Faserhalter 13, der zum Verspleißen ein Ende einer optischen Faser 15 von einer ersten Spule hält. Ein x-y-z-Faserpositionierer 17 ist weiterhin vorgesehen, und zwar zum Halten eines Endes einer optischen Faser 19 von einer zweiten Spule. Der Faserhalter 13, der x-y-z-Positionierer 17 und eine mit ihnen in Beziehung stehende Steuereinrichtung 21 (nicht dargestellt) sind von konventionellem Design und sie können von Herstellern wie der Klinger Scientific Company bezogen werden.
Die Enden der Fasern 15 und 19 werden bei einem Verbindungspunkt 23 über einem Mikroskopobjektiv 25 von der Steuereinrichtung 21 in eine grobe, koaxiale, longitudinale Ausrichtung bewegt, bei der sich die Oberflächen gegenüberliegen. Das Mikroskop 25 sorgt für ein Bild, das auf einem Fernsehbildschirm 27 (nicht dargestellt) angezeigt wird. Ein erster 45º-Spiegel 26 erlaubt mit Hilfe des Mikroskopes 25 die Betrachtung der Faserenden beim Verbindungspunkt 23 unter einem zweiten Winkel.
Die zweite Faser 19 wird zu dem Faserpositionierer 17 über eine lokale Lichtinjektionsquelle 29 geführt. Die erste Faser 15 wird zu dem Faserhalter 13 über einen lokalen Lichtquellensensor 31 geführt. Die lokale Lichtinjektionsquelle und der Sensor sind von konventionellem Design und sie können von Herstellern wie der Ando Corporation aus Japan bezogen werden. Während der Ausrichtung der Fasern vor ihrer Verspleißung injiziert die lokale Lichtquelle ein optisches Signal in die zweite Faser 19, das durch sie und über den Verbindungspunkt 23 in die erste Faser 15 übertragen wird. Die optische Signalstärke in der ersten Faser 15 wird von dem lokalen Lichtinjektionssensor 31 detektiert. Der Injektionssensor 31 stellt ein elektrisches Signal bereit, das die Signalstärke in der ersten Faser 15 anzeigt, und zwar über eine Schnittstellensteuereinrichtung 33 (nicht dargestellt) für die x-y-z-Faserpositionier-Steuereinrichtung 21. Eine grobe Ausrichtung wird durch den x-y-z-Faserpositionierer 17 erreicht, wobei dieser manuell durch die Bedienperson über den TV-Monitor und das lokale Lichtinjektions-Ausleseergebnis kontrolliert wird, während eine Fein- oder eine präzise Ausrichtung durch die vor-programmierte Steuereinrichtung 21 und das Faserpositioniersystem erreicht wird, das die Injektorquelle 29 den Sensor 31 und den x-y-z-Positionierer 17 umfasst. Dies bedeutet, daß die geeignet programmierte Steuereinrichtung 21 den Faserpositionierer 17 ansteuert, um die Fasern zusammenzuführen, und die Fasern derartig ausrichtet, dar die geringsten Verluste erhalten werden.
Nachdem die Fasern sich gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung in einer präzisen Ausrichtung befinden, wird die Verschmelzung (fusing) der Fasern 15 und 19 dadurch erreicht, daß ein Energiestrahl hoher Intensität zu dem Verbindungspunkt 23 der Fasern geführt wird und indem Fokus des Strahles kontrolliert wird, um für ein optimales Temperaturprofil der Energie zu sorgen, die an den Spleiß angelegt wird. Der Strahl 37 wird von einem Laser 35 bereitgestellt. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Laser 35 ein konventioneller CO&sub2;-Laser mit einer kontinuierlichen (continuous wave) 5 Watt Ausgangsleistung, der bei einer Wellenlänge von 10,2 um betrieben wird, die notwendig ist, um die Fasern zu erwärmen.
Der Laserstrahl 37 wird zu dem Spleißverbindungspunkt 23 durch zweite und dritte 45º-Spiegel 39 und 41 geführt, und zwar über eine Fokussteueranordnung 43. Wie man dem Diagramm aus Fig. 2 entnehmen kann, enthält die Fokussteueranordnung 43 eine erste bewegliche Linse 45 und zweite und dritte stationäre Linsen 47 und 49. Die Position der ersten Linse 45 wird mittels der Positionssteuereinrichtung 21 geregelt, und zwar über ein Übertragungskabel und die selektive Aktivierung eines Gleichstrommotors 51. Der Motor 51 ist als ein Block dargestellt, um zu illustrieren, daß alternative Linsenbetätigungssysteme verwendet werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann ein Motorantrieb vom koaxialen Typ verwendet werden, um die Linse innerhalb des Schutzbereiches der offenbarten Lehre zu positionieren.
Während des Schmelzprozesses steuert das Programm der Steuereinrichtung den Faserpositionierer 17 an, um die Fasern dichter zusammenzubringen. Die Erwärmung schreitet fort und die Temperatur nimmt ab, und zwar als ein Ergebnis der Wirkung der Regeleinrichtung 21, die die Linse 45 bewegt. Nach Vervollständigung des Schmelzprozesses entfernt die Bedienperson die Fasern einfach aus den Haltern.
Fig. 2 illustriert auch den Ort des Mikroskopobjektives 25 relativ zu dem Faserhalter 13 und dem Faserpositionierer 17. Die longitudinale Achse des Strahles 37 durchquert die Longitudinalachsen der Fasern 15 und 19. Der Strahl 37 verläuft in einem Strahlblocker 50, wie beispielsweise in einem feuerfesten Ziegel.
Daher wird, wenn Energie aus dem Strahl auf die Fasern 15 und 19 bei dem Verbindungspunkt 23 aufgewendet wird, die Linse 45 bewegt, um ihren Fokus zu ändern, um so für ein optimales Temperaturprofil für die zu verspleißenden Fasern zu sorgen. Ein Fachmann wird in der Lage sein, die gewünschte Spotgröße und das gewünschte Temperaturprofil zu bestimmen, daß von der Regeleinrichtung 21 verwendet wird, um für eine optimale Regelung der Linsenposition während des Verspleißvorganges zu sorgen.
Die Regeleinrichtung enthält einen Mikroprozessor, der ein einfaches Servosteuerprogramm durchführt, um für den Motor 51 Regelsignale bereitzustellen, die geeignet sind, die Linse 45 zu positionieren, damit die gewünschte Strahlspotgröße und somit ein optimales Temperaturprofil entsteht. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Regelprogramm in BASIC geschrieben worden.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, in dem die elektrischen Verbindungen zwischen den Zentralkomponenten des Systemes 11 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt sind. Vier Ausgabekanäle werden von der Regeleinrichtung 21 bereitgestellt, drei um die drei Schrittmotoren anzusteuern, die für die x, y und z-Achsenpositionierung des Faserpositionierers 17 sorgen, und einer, um die axiale Bewegung der ersten Linse 47 der Fokussteueranordnung 43 anzusteuern.
Der Laser 35 wird von einer Laserleistungsversorgung 36 gespeist, die von der Regeleinrichtung 21 geschaltet wird. Die Positionierregeleinrichtung 21 und die Schnittstellenregeleinrichtung 33 empfangen Leistung aus einem konventionellen Leistungstreiber 38. Andere Leistungsquellen und Leistungsverbindungen sind aus Gründen der Illustration weggelassen worden. Diejenigen, die über den nötigen Sachverstand verfügen, werden in der Lage sein, die notwendigen Leistungsverbindungen für eine jede der dargestellten Komponenten herzustellen. Daten die optimale Ausrichtung betreffend werden von dem lokalen Lichtsensor 31 für die Regeleinrichtung 21 bereitgestellt, und zwar über die Schnittstellenregeleinrichtung 33, um den Beginn des Schmelzvorganges anzuzeigen.
Vor der Verspleißung sollten die Fasern in einer geeigneten, an sich bekannten Weise vorbereitet werden. Das Temperaturprofil sollte einen Vor-Verschmelzungsschritt enthalten, während dem die Fasern niedrigeren Temperaturen ausgesetzt werden, um Staub und andere Partikel auszubrennen, die sich auf der Oberfläche der Faser niedergeschlagen haben. Ein Nach-Schmelzausglühen und Ausglühschritte sollten gleichfalls im Profil enthalten sein, um den thermischen Schock zu minimieren. In einem Nach-Schmelzausglühschritt (post fusion annealing step) kann die Größe des Strahlspots auf das vieroder fünffache des Faserdurchmessers über dem zu verspleißenden Übergang erhöht werden. Dies erlaubt eine graduelle Kühlung, um Wärmespannungen zu vermindern. Während des Glühschrittes kann die Spotgröße auf den 10- bis 15-fachen Faserdurchmesser erhöht werden, um das Abkühlen weiter zu kontrollieren. Das Temperaturprofil hängt von den einzelnen Charakterisiken der jeweiligen optischen Fasern ab.
Das System 11 ist in einem Gehäuse 53 enthalten, das schwenkbare Abdeckungen 55 und 57 aufweist. Eine elektrische Verriegelung (nicht dargestellt) löst die Verbindung des Lasers 35 von der Leistungsquelle und aktiviert einen Mechanismus (nicht dargestellt), der den ersten Spiegel 26 in und aus einer Betriebsposition heraus bewegt, je nach Öffnung und Schließung der Abdeckungen 55 und 57.
Demnach ist die vorliegende Erfindung hier unter Bezugnahme auf eine bestimmte Ausführungsform für eine bestimmte Anwendung beschrieben worden. Diejenigen, die über den notwendigen Sachverstand verfügen und Zugang zu der Lehre der vorliegenden Erfindung haben, werden erkennen, daß zusätzliche Modifikationen und Anwendungsmöglichkeiten sowie Ausführungsformen im Schutzbereich enthalten sind.
Demnach ist es beabsichtigt, daß die beigefügten Ansprüche alle derartigen Anwendungen, Modifikationen und Ausführungsformen innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung mitumfassen.

Claims

1. Ein Spleißsystem (11) für optische Fasern mit:

einer Positioniervorrichtung (17) zum Bewegen von Endteilen von wenigstens zwei optischen Fasern (15, 19) soweit, bis die Endteile bei einem Spleißort (23) sich in einer relativen Ausrichtung zueinander befinden;

einer Quelle (35) zur Bereitstellung eines Energiestrahles (37) mit hoher Intensität;

einer Vorrichtung (39, 41) zum Führen des Energiestrahles (37) mit hoher Intensität entlang eines Strahlpfades, der den Spleißort (23) schneidet; und

einer Fokus-Regelvorrichtung (43) zum Einstellen des Fokusses des Strahles (37) und dadurch zum Einstellen des Temperaturprofils der Energie bei dem Spleißort (23), gekennzeichnet durch

eine Regeleinrichtung (21), die einen Mikroprozessor enthält, der ausgelegt ist, die Fokus-Regelvorrichtung (43) derart zu betreiben, daß sie für ein optimales Temperaturprofil über eine jede der verschiedenen Stufen des Spleißvorganges hinweg sorgt.

2. Ein System nach Anspruch 1, worin die Fokus-Regelvorrichtung (43) in dem Pfad des Strahles (37) eine erste Linse (45) enthält.

3. Ein System nach Anspruch 2, worin die Fokus-Regelvorrichtung (43) eine Motorvorrichtung (51) enthält, die operativ mit der ersten Linse (45) verbunden ist, um die erste Linse (45) selektiv entlang des Strahlpfades zu bewegen, und zwar hin und weg von dem Spleißort (23).

4. Ein System nach Anspruch 3, worin die Fokus-Regelvorrichtung (43) zweite und dritte Linsen (47, 49) in optischer Ausrichtung mit der ersten Linse (45) enthält.

5. Ein System nach einem der vorigen Ansprüche, worin die Positioniervorrichtung (17) eine Lichtquellenvorrichtung (29) enthält, zum Injizieren von optischer Energie durch eine erste der optischen Fasern (15, 19) hindurch und in eine zweite der optischen Fasern (15, 19) hinein, und zwar über die relativ zueinander ausgerichteten Endteile.

6. Ein System nach Anspruch 5, worin die Positioniervorrichtung (17) eine Vorrichtung (31) enthält, um die optische Energie in der zweiten der optischen Fasern (15, 19) zu detektieren.

7. Ein System nach einem der vorigen Ansprüche, worin die Positioniervorrichtung (17) einen Monitor (27) enthält, um eine Anzeige der relativen Position der optischen Fasern (15, 19) bereitzustellen.

8. Ein Verfahren zum Verspleißen von Endteilen von wenigstens zwei optischen Fasern (15, 19), welches die Schritte umfaßt:

a) Positionieren eines Endes einer jeden der wenigstens zwei optischen Fasern (15, 19) in relativer Ausrichtung zueinander bei einem Spleißort (23);

b) Führen eines Energiestrahles (37) mit hoher Intensität zu dem Spleißort (23); und

c) Einstellen des Fokusses des Strahles (37) und damit des Temperaturprofiles der Energie, die bei dem Spleißort (23) aufgewendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß

d) der Fokus des Strahles (37) von einer Steuereinrichtung (21) geregelt wird, die einen Mikroprozessor enthält, um für ein optimales Temperaturprofil über einen jeden der verschiedenen Stufen des Spleißvorganges hinweg zu sorgen.