KR940007340Y1 - 광섬유 접속시스템(automated laser fusion system for high strength optical fiber splicing) - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

광섬유 접속시스템(AUTOMATED LASER FUSION SYSTEM FOR HIGH STRENGTH OPTICAL FIBER SPLICING)

제1도는 본 고안에 따른 광섬유 접속시스템의 동작 블럭도.

제2도는 본 고안에 따른 광섬유 접속시스템의 개략적인 사시도.

제3도는 본 고안에 따른 시스템의 중심소자들간의 전기 접속을 보인 블럭도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 광섬유 접속시스템 13 : 섬유홀더

15, 19 : 광섬유 17 : 섬유 위치 설정기

21 : 제어기 23 : 접속부

25 : 현미경 26, 39, 41 : 거울

29 : 국부광 주입기원 31 : 국부광 주입기센서

33 : 인터페이스 제어기 35 : 레이저

37 : 레이저 비임 43 : 초점 제어 어셈블리

45 : 제1렌즈 47 : 제2렌즈

49 : 제3렌즈 51 : 모터

53 : 캐비넷 55, 57 : 커버

본 고안은 광섬유 기술에 관한 것이다. 특히, 본 고안은 광섬유를 접속하는 기술에 관한 것이다.

본 명세서에서는 본 고안을 특정응용에 관한 예시적인 실시태양을 참조로 하여 설명하였으나, 본 고안은 이것에 국한하지 않는다.

당업자라면, 본 고안의 범주내에서 또다른 변형, 응용 및 실시태양이 가능함을 알 수 있을 것이며, 본 고안의 중요하게 이용될 수 있는 또다른 분야가 알 수 있을 것이다.

현재로서는, 몇몇 광섬유 제조업자 만이 길고, 강도가 높으며, 손실이 적은 양질의 섬유를 만들 수 있다. 따라서, 어떤 사용 요청을 충족시키기 위해서는 광섬유 접속이 더욱 더 절실하다.

고강도의 저손실 광섬유 접속을 위해서는, 1) 적정한 섬유를 마련하고, 2) 용착에 앞서 섬유를 적정히 정렬시키고, 3) 용착 공정중에 섬유를 근접 및 정합시키고, 4) 용착공정 및 용착 후 어닐링 공정중에 정확한 온도 프로필을 적용해야 한다.

온도 프로필의 제어는 특히 중요하다. 온도 프로필이란 제어된 기간들 동안 특정량의 열에너지 적용 타이밍을 말한다. 온도 프로필의 제어가 부적당한 상태에서 섬유를 접속시키면, 열적 충격, 즉, 섬유에 대한 구조적 파괴가 초래된다.

통상적인 섬유 접속 기법으로서는, 수소/산소 프레임 토오치법, H-Cl 가스 프레임 접속법 및 전기 아크용접법을 들 수 있다. 수소/산소 프레임 토오치법은 자동 공정이 아니므로, 작업자가 섬유의 온도를 제어해야 한다. 따라서, 접속품질은, 작업자의 숙련도에 따라 좌우되기 때문에 일정하지가 않았다.

또한, 저손실 접속을 구현하는데 요구되는 정확도로 섬유를 정렬시키고 섬유의 이동을 제어하는 것이 어려웠다. 따라서, 수소/산소 프레임 기법은, 섬유의 온도 프로필, 정렬 및 이동 제어가 양호하지 못한 관계로 고강도, 저 손실 및 양질의 광섬유 생산율이 떨어진다.

한편, H-Cl 프레임 접속법으로 고강도 접속을 행하는 것이 알려져 있으나, H-Cl 가스는 극히 위험스럽다고 알려져 있다.

다른 한편, 전기아크 용접법은 자동 공정으로서, 이 기법에서는, 접속부를 통한 전송이 최적하게 될 때까지 컴퓨터 제어 섬유 위치 설정기로 섬유 단부를 면 대 면의 관계로 정렬시킨다. 그 다음, 고전압을 두 전극에 인가하여 전기 아크로 열을 발생한다.

이때, 온도 프로필이 적당하면, 섬유의 온도가 유리 용융점에 이르게 되고 표면장력에 따라 섬유 단부는 서로 당겨지게 되고 녹아 붙게 된다. 그러나, 열이 불충분하면 유리는 녹지 않게 될 것이고, 열이 과도하게 되면 광섬유 단부는 녹아 없어지게 된다.

그러나, 전기 아크 용접법은 고강도 접속을 제공하는데에 있어 효과적일 수도 있으나 어떤 결점을 갖는다. 첫째로, 토오치 및 프레임 접속법의 경우와 같이, 이 기법의 경우에도 온도 프로필의 제어가 다소 어렵다. 둘째로, 전극에 의해 발생된 이온화된 기체가 용착면을 오염시키는 경향이 있다. 이러한 문제점들로 인해, 이 기법은 일정한 접속을 이루지 못하는 경향이 있다.

따라서, 이 분야에서는, 접속 온도의 제어가 더욱 양호하면서도 오염의 염려가 없는 광섬유 접속시스템이 요구된다. 또한, 섬유단부의 정렬을 흐트리지 않고 섬유에 대한 열충격을 야기하지도 않으면서 용융열을 가할 수 있는 시스템이 필요하다. 또한, 일정한 고강도 및 저손실의 용융 접속을 제공할 수 있는 시스템이 필요하다.

당 분야의 이러한 요구는 개량된 광섬유 접속시스템을 제공하는 본 고안에 의해 해결된다. 본 고안의 시스템은 두 광섬유 단부를 이동시켜 접속부에서 상대적으로 정렬시키는 위치설정 시스템을 갖고 있으며, 고강도이 에너지 비임을 섬유단부들의 접속부에 가하여 그 단부들의 용융에 필요한 온도를 얻고, 또한, 비임의 초점을 제어하여 광섬유 접속부에 가해지는 에너지 밀도의 적정한 온도 프로필을 유지한다.

본 고안에 의하면, 일정한 고강도, 저손실 및 양질의 접속을 제공하는 자동 컴퓨터 제어시스템이 제공된다.

본 고안의 유익한 기술을 개시하기 위해 첨부도면을 참조하여 예시적인 실시태양 및 대표적인 이용에 대해 설명하고자 한다.

제1도는 본 고안에 따른 광섬유 접속시스템(11)의 동작 블럭도이다. 시스템(11

)은 광섬유(15)의 제1코일의 일단부를 접속을 위해 보유지지하는 섬유 홀더(13)를 포함한다. xyz 섬유 위치설정기(17)는 광섬유(19)의 제2코일의 일단부를 보유 지지하기 위해 포함된다. 섬유 홀더(13), xyz 위치 설정기(17) 및 관련 제어기(21 ; 제3도 참조

)는 통상의 구성을 가지며 크링거 사이언티픽사(Klinger Scientific Company)와 같은 제조업자로부터 구입할 수 있다.

섬유(15) 및 (19)의 단부들은 제어기(21)에 의해 접속부(23)에서 대략 면 대 면의 동축적인 종방향 정렬상태를 이루게 현미경 대물렌즈(25)상에서 이동된다. 현미경(25)에 의해 제공되는 영상은 텔레비젼 모니터(27 ; 제3도 참조)에 디스플레이된다. 제1의 45˚ 거울(26)은 접속부(23)의 섬유단부들을 현미경(25)을 통해 제2각도로 볼 수 있게 된다.

제2섬유(19)는 국부광 주입기원(29)을 통해 섬유 위치 설정기(17)에 배치된다. 섬유(15)는 국부광 주입기센서(31)를 통해 섬유 홀더(13)에 배치된다. 국부광 주입기 및 센서는 통상의 구성을 가지며 일본의 앤도사(Ando Coporation)와 같은 제조업자로부터 구입할 수 있다. 섬유들을 접속하기에 앞서 섬유를 정렬시키는 동안, 국부광 주입기는 제2섬유(19)에 광신호를 주입하며, 이 광신호는 접속부(23)를 통해 제1섬유(15)에 전송된다. 제1광섬유(15)의 광신호세기는 국부광 주입센서(31)에 의해 검출된다.

주입기 센서(31)는 제1섬유(15)의 신호세기를 나타내는 전기 신호를 인터페이스 제어기(33 : 제3도 참조)를 통해 xyz 섬유 위치 설정 제어기(21)에 공급한다. 섬유 단부들의 대략적인 정렬은 TV 모니터 및 국부광 주입기 판독치를 통해 작업자가 수동제어하는 xyz 섬유 위치설정기(17)에 의해 제공되며, 미세 또는 정확한 정렬은 주입기원(29), 센서(31) 및 xyz 섬유 위치설정기(17)를 포함하는 섬유 위치 설정 시스템 및 사전 프로그램된 제어기(21 : 제3도 참조)에 의해 제공된다. 즉, 적정히 프로그램된 제어기(21 : 제3도 참조)는 섬유 위치 설정기(17)에 명령을 보내어 섬유를 근접시키고 손실이 최소로 되도록 섬유를 정렬시킨다.

섬유들이 정확하게 정렬된 후, 본 고안의 기술에 따라, 섬유들의 접속부(23)에 고강도의 에너지 비임을 보내고 비임의 초점을 제어하여 접속부에 가해지는 에너지의 온도 프로필이 최적하게 되게 함으로써 섬유(15) 및 (19)를 용융시킨다. 비임(37)은 레이저(35)에 의해 제공된다. 본 고안의 바람직한 실시태양에 있어서, 레이저(35)는 섬유에 열을 가하는데 필요한 10.2 미크론의 파장에서 동작하는 통상적인 5W CW(연속파)CO₂레이저이다.

레이저 비임(37)은 제2 및 제3의 45˚ 거울(39) 및 (41)에 의해 초점 제어 어셈블리(43)를 통해 접속부(23)에 보내진다.

제2도에 도시한 바와같이, 초점 제어 어셈블리(43)는 제1가동렌즈(45), 제2 및 제3 고정렌즈(47) 및 (49)를 포함한다. 제1렌즈(45)의 위치는 DC 모터(51)의 번역표 및 선택작동을 통해 위치 설정기(21 : 제3도 참조)에 의해 제어된다. 모터(51)는 본 고안의 범주를 벗어나지 않는 한 다른 렌즈 작동 구성을 사용할 수도 있음을 보이기 위해 블럭으로 도시한다. 예로서, 동축형 모터를 본 고안의 개시범주내에서 렌즈를 위치 설정하는데 사용할 수도 있다.

용융 과정 동안, 제어기 프로그램은 섬유 위치 설정기(17)에 섬유들을 더욱 근접케하는 명령을 보낸다. 가열은 계속하면서, 제어기(21 : 제3도 참조)가 렌즈(45)를 이동시킴으로써 온도를 감소시킨다. 용융공정이 완료된 후, 작업자는 홀더로 부터 섬유를 제거한다

제2도는, 또한, 섬유홀더(13) 및 섬유 위치설정기(17)에 대한 현민경 대물 렌즈(25)의 위치관계를 도시한다. 비임(37)의 종축은 섬유(15) 및 (19)의 종축들에 대해 수직 관계를 갖는다.

레이저 비임(37)은 내화벽돌과 같은 비임 차단제(50)로 향한다.

따라서, 비임으로 부터의 에너지가 접속부(23)에서 섬유(15) 및 (19)에 인가될 때, 렌즈(45)를 이동하여 초점을 변경시킴으로써 접속하는 섬유의 온도 프로필이 최적하게 되도록 한다. 당업자라면, 제어기(21)가 사용하는 원하는 스폿크기 및 온도 프로필을 결정하여 접속공정 동안 렌즈 위치의 제어를 최적케 할 수 있을 것이다.

제어기는, 간단한 서보 제어 프로그램을 실행하여, 원하는 비임 스폿크기, 결과적으로는 최적의 온도 프로필이 제공되게 렌즈(45)의 위치를 설정하는 제어신호를 모터(51)에 제공하는 마이크로 프로세서를 포함한다. 바람직한 실시태양에 있어서, 제어 프로그램은 베이직으로 작성했다.

제3도는 본 고안에 따른 시스템(11)의 핵심 요소들간의 전기접속을 보이는 블럭도이다. 제어기(21)에 의해 4개 채널 출력이 제공되는데, 이들 중 3개는 섬유 위치 설정기(17)의 x, y 및 z축 위치를 설정하는 3개의 스텝 모터를 제어하기 위한 것이고, 나머지 1개는 초점 제어 어셈블리(43)의 제1렌즈(45)의 축방향 운동을 제어하기 위한 것이다.

레이저(35)는 제어기(21)에 스위칭되는 레이저 전력공급기(36)에 의해 구동된다. 위치 제어기(21) 및 인터페이스 제어기(33)는 통상의 전력 구동기(38)로부터 전력을 받는다. 다른 전력 공급기 및 전력 접속은 설명목적상 생략했다. 당업자라면, 도시된 각 요소에 필요한 전력 접속을 행할 수 있을 것이다.

국부광 센서(31)로 부터의 최적한 정렬 데이타는 인터페이스 제어기(33)를 통해 제어기(21)에 제공되어 용착공정의 개시를 알린다.

접속에 앞서, 적당한 통상의 방식으로 섬유를 마련해야 한다. 온도 프로필은 섬유를 보다 낮은 온도에 노출시켜 섬유의 표면에 부착된 먼지 및 기타 입자들을 소각시키기 위한 예비 용융단계를 포함해야 한다. 또한, 용착 후 어닐링 및 어닐링 단계를 프로필에 포함시켜 열충격이 최소로 되게 해야만 한다. 용착후 어닐링 단계에 있어서, 비임 스폿크기를 접속부에서 섬유 직경의 4 내지 5배로 되게 할 수도 있다. 이것에 의해, 열응력을 줄이는 점차적인 냉각이 가능하게 된다. 어닐링 단계동안, 스폿크기를 더 이상의 냉각을 위해 섬유 직경의 10 내지 15배로 증대시킬 수도 있다. 온도 프로필은 광섬유의 개별 특성에 좌우된다.

시스템(11)은 힌지된 커버(55) 및 (57)를 가진 캐비넷(53)내에 내장된다. 전기적인 인터록(도시안함)은 레이저(35)에 대한 전력 공급을 차단하고, 커버(55) 및 (57)의 개방 및 폐쇄시에 제1거울(26)을 동작위치로 이동시키고 동작위치로 부터 벗어나게 이동시키는 기구(도시 안함)를 작동시킨다.

이상에서는, 본 고안을 특정 응용에 대한 특정 실시태양에 관련하여 설명하였으나, 당업자라면, 본 고안의 범주내에서 또다른 변형, 응용 및 실시태양이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 고안의 범주에 속하는 이들 모든 변형, 응용 및 실시태양을 청구범위로 보호하고자 한다.

Claims (8)

1. 적어도 두개의 광섬유 단부를 이동시켜 접속부에서 상대적으로 정렬되게 하는 위치설정 수단과 상기 접속부와 교차하는 비임 경로를 따라 고강도의 에너지 비임을 배향하는 수단과 상기 비임의 초점을 제어하여 상기 접속부에 가해지는 상기 에너지의 온도 프로필을 제어하는 초점제어수단을 포함하며, 상기 초점제어 수단은 상기 비임 경로와 교차하는 제1렌즈를 포함하고, 상기 제1렌즈는 적어도 두개의 광섬유를 접속하여 단일의 광섬유를 만들고자 하는 접속공정 동안 필요에 따라 상기 비임 경로를 따라 선택적으로 이동되어 상기 접속부의 상기 온도 프로필이 조정될 수 있게 하며, 상기 초점제어수단은 상기 제1렌즈와 광학적으로 정렬된 제2 및 제3렌즈를 또한 포함하는 광섬유 접속 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 초점제어수단은 상기 제1렌즈에 동작적으로 접속되어 상기 제1렌즈를 상기 비임경로를 따라 상기 접속부 쪽으로 또는 상기 접속부로 부터 멀어지게 선택적으로 이동시키는 모터 수단과 상기 모터 수단을 선택적으로 제어하는 제어기 수단을 포함하는 광섬유 접속 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 위치 설정수단은 상기 광섬유들 중의 제1섬유로 부터 상기 상대적으로 정렬된 단부들을 통해 상기 광섬유들 중의 제2섬유로 광에너지를 주입하는 광원수단을 포함하는 광섬유 접속 시스템.
4. 제3항에 있어서, 상기 위치설정수단은 상기 광섬유들중의 상기 제2섬유의 광에너지를 감지하는 수단을 포함하는 광섬유 접속 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 위치설정수단은 상기 광섬유 단부들의 상대적 위치를 나타내는 모니터를 포함하는 광섬유 접속 시스템.
6. 적어도 두 광섬유단부들이 접속부에서 상대적인 정렬관계를 이룰때까지 상기 광섬유 단부들을 이동시키는 위치설정 수단으로서, 상기 정렬된 섬유들 중의 제1섬유에 광을 주입하는 광원수단과 상기 정렬된 섬유들중의 제2섬유의 광에너지를 감지하는 수단을 포함하는 상기 위치설정수단과, 상기 접속부와 교차하는 비임 경로를 따라 고강도의 에너지 비임을 배향하는 수단과, 상기 비임이 초점을 조정하여 상기 접속부에 가해지는 상기 에너지의 온도 프레임을 제어하는 초점 제어 수단을 포함하며, 상기 초점 제어수단은 상기 비임 경로와 교차하며 상기 비임 경로를 따라 이동가능한 제1 렌즈와 상기 제1렌즈를 상기 비임 경로를 따라 이동시키는 모터수단과 접속 동안 필요에 따라 상기 모터 수단을 선택적으로 작동시켜 상기 제1렌즈를 이동시킴으로써 상기 온도 프로필을 변경하는 제어기 수단을 포함하는 광섬유 접속 시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 초점 제어수단은 상기 제1렌즈와 광학적으로 정렬된 제2 및 제3렌즈를 포함하는 광섬유 접속 시스템.
8. 제6항에 있어서, 상기 위치설정수단은 상기 광섬유 단부들의 상대 위치를 나타내는 모니터를 포함하는 광섬유 접속 시스템.