SE523806C2 - Förfarande och anordning för att inrikta polarisationsaxlarna hos fiberändar i två optiska polarisationsbevarande fibrer med varandra - Google Patents

Description

20 25 30 o o un: u n a Q a u n. o nu - . ø - .- q n u a n u s n s a. s a n o . 4 n u n .- a g a u a n n t» a an. .nu v- - u o n n s - o n o o u o o u n . n n a o u n n» n a n a -. n. u. . . > . . > . . . n. 2 och M. Yoshinuma, "New splicing method for polarization maintaining single mode fibers", Conf. on Optical Fiber Communication (OFC”89), THJ2, 1989, och H. Taya, K. Ito, T. Yamada och M. Yoshinuma, "Fusion splicer for polarization maintaining single mode fiber,” Fujikura Technical Review, sid 31 - 36, 1990, och förfarandet med bilder tagna av ñbremas ändar, se U.S. patent nr 5,147,434, Sept. 15, 1992, för K. Itoh, T. Yamada, T. Onodera, M. Yoshinuma och Y.

Kato, "Apparatus for fusion splicing a pair of polarization maintaining optical fibers", och U.S. patent nr 5,l56,663, 20 okt 1992, för K. Itoh, T. Yamada, T. Onodera, M. Yoshinuma och Y.

Kato, "Apparatus for fusion splicing a pair of polarization maintaining optical fibers". Mer avancerade metoder, se Wenxin Zheng, "Automated Fusion-Splicing of Polarization Maintaining F ibers", IEEE J. Lightwave Tech., vol. 15, nr 1, 1997, tex att kombinera observation av polarisa- tionen med hjälp av bestämning av linseffektsprofilen (POL-profilen) med förfarandet innefat- tande POL-korrelation för att direkt och indirekt bestämma vinkelförskjutningen hos PM-fibrer, har också föreslagits, se svenskt patent nr 9300522-1, mars 1993, uppfinnare Wenxin Zheng et al., U.S. patent nr 5,572,3l3, Nov. 5, 1996, för Wenxin Zheng et al., U.S. patent nr 5,758,000, 26 maj 1998, för Wenxin Zheng et al., och svensk patentansökan nr 0001708-7, 9 maj 2000, för Wei-Ping Huang et al. Dessa metoder har med stor framgång använts i automatiserade smält- skarvningsanordningar av ljusbågstyp för de flesta vanliga PM-fibrer, som då var tillgängliga på marknaden, t ex Panda-fibrer och Bowtie-fibrer.

På den senaste tiden har fibrer med elliptiska kärnor tilldragit sig stort intresse vid upp- byggnad av kommunikationssystem, tex vid utfomining av erbiumdopade PM-fiberförstärkare och optiska fibersensorer. De förefintliga inriktningsmetoderna, se de ovan anförda patenten rö- rande förfaranden innefattande POL-profiler, kan dock tyvärr knappast åstadkomma stabila och konsistenta resultat vad gäller vinkelinriktning för optiska fibrer av typen med elliptisk kärna be- roende på i första hand tekniska begränsningar. Exempelvis är förfarandena inte tillräckligt käns- liga för att noggrant uppmäta de små variationerna hos intensitetsprofilema, när fibrema vrids.

Det finns därför ett behov inom tekniken att förbättra de förefintliga inriktningsmetoderna, sär- skilt dem som är baserade på POL-profilen, för att kunna hantera alla typer av PM-fibrer.

Dessa problem framgår i synnerhet vid belysning av varje fiber från sidan av denna och vid betraktande av fibem som en cylindrisk lins, varvid variationema hos ljusintensiteten i fokalpla- net längs en linje vinkelrätt mot både flbems längdaxel och mot fortplantningsriktningen från den belysande ljuskällan. I det typiska fallet har intensiteten en central topp, vars höjd varierar, när fi- bems vrids kring sin längdaxel, se det ovan anförda svenska patentet nr 9300522-1 och den anför- da svenska patentansökningen nr 0001708-7. I detta sammanhang är det intressant att beräkna ljuskontrasten, h, som är skillnaden i intensitet mellan den centrala toppen och det omgivande 10 15 20 25 30 a ø o ~ ~ Q . - - n .- 523 806 3 området. Profilen hos ljuskontrasten erhålls som variationen hos ljuskontrasten som en funktion av vridningsvinkeln, dvs azimuthalvinkeln.

En största möjlig kontrast hos h-värdena, dvs av skillnaden mellan de maximala och mini- mala h-värdena i profilen för ljuskontrasten är väsentlig för att säkerställa en hög kvalitet hos kontrastprofilen. Det visar sig, att för PM-fiber av typen med elliptisk kärna är kontrasten hos h- värdena vanligen mindre än 10 gråskalenivåer mätt i en typisk automatiserad smältskarvningsap- parat. Ljuskontrastprofilen blir således i detta fall ytterst känslig för inställningen av det optiska avbildningssystemet i den använda skarvningsapparaten.

REDOGÖRELSE FÖR UPPHNNmGEN Det är ett ändamål med föreliggande uppvisning att anvisa ett förfarande och en anordning för att förbättra kvaliteten hos den optiska mätningen av h-värden för PM-fibrer och särskilt hos kontrasten i uppmätta POL-profiler.

Sålunda utförs allmänt en noggrann inriktning av det plan, i vilken kontrasten observeras, dvs av fokalplanet.

Inställningen av detta plan utförs genom att observera ljusintensitetsvariationerna i planet för att uppnå en så skarp eller så stor kontrast som möjligt. Denna skarpare kontrast leder till en mycket bättre skattning av vinkelläget hos PM-fibrer optiska huvudaxlar med hjälp av POL-förfa- randet, varvid detta skattningsförfarande är lämpat för att inrikta PM-fibrer av alla typer, särskilt PM-fibrer med elliptiska kämor.

En lösning på det ovan nämnda problemet kan sålunda uppnås genom att observera, att fokalavståndet hos en PM-fiber, som belyses från en sida, varierar något beroende på asymmetrin i optisk genomskinlighet, vilken uppträder vid vridning av fibern kring sin längdaxel. Ett "plan för bästa överensstämmelse", i vilket den högsta konstrasten hos h-värden kan erhållas, när ob- servationsplanet överensstämmer med fokalplanet, och särskilt för vinkellägen hos den betraktade fibern, för vilka fiberns långsarrnna optiska axel också är ungefärligt orienterad längs fortplant- ningsriktningen för de belysande ljusstrålarna och den optiska axeln hos avbildningssystemet, varvid denna riktning och axeln antas vara parallella med varandra. Man finner, att det godtag- bara felet vid bestämning av läget för planet med den bästa överensstämmelsen längs ljusstrålar- nas riktning beror starkt av den betraktade PM-ñbern. För PM-fibrer med elliptiska kärnor är det godtagbara lägesfelet i det typiska fallet endast några få um.

Det här föreslagna förfarandet förbättrar de förfaranden, vilka visas i svenskt patent nr 9300522-1 och svensk patentansökan nr 0001708-7, som har anförts ovan, genom att använda ett så kallat "självdefokuserande" förfarande för att automatiskt söka efter planet med den bästa överensstämmelsen. Fördelen med ett sådant förfarande, är att det ger en bättre noggrannhet vid 10 15 20 25 30 . n o o a Q - . ~ ø n. 523 806 4 inriktning av PM-fibrer med elliptiska kärnor för att inta optimala lägen under tex ett smält- skaivningsförlopp.

FIGURBESKRIVNING Till följande ritningar hänvisas i beskrivningen av särskilda utföringsformer givna endast som exempel och ritningarna avses inte vara begränsande. I ritningarna är: - fig. la, lb schematiska bilder av en anordning för inriktning av PM-fibrer. - fig. 2 ett schematiskt diagram, som visar de avsevärde skillnaderna i ljuskontrast h för två ori- enteringar av en Panda-fiber. - fig. 3 ett diagram, som visar en typisk ljuskontrastprofil erhållen för en Panda-fiber. - fig. 4 en schematisk bild av de huvudsakliga typerna av PM-fibrer, i vilka den optiska huvud- axlama hos fibrema är utmärkta på motsvarande sätt. - fig. 5 ett diagram, som visar en typisk ljuskontrastprofil erhållen för en PM-fiber med elliptisk kärna. - fig. 6 en schematisk bild av en optisk avbildande anordning för sökning efter planet med den bästa överensstämmelsen i ett sj älvdefokuserande forfarande. - fig. 7a, 7b bildar tagna från två riktningar för defokusering, några tiotals um bort från endera si- dan av ett referensplan. - fig. 8 ett flödesschema för ett program, som åskådliggör förfarandet med inriktning vid smält- skarvning med hjälp av sj älvdefokusering.

DETALJERAD BESKRIVNING Huvudbeståndsdelama hos en automatisk optisk fiberskarvningsapparat, som är anordnad för att hopskarva PM-fibrer, visas i de schematiska bildema i fig. la och lb. Fig. la är en sche- matisk bild av det optiska arrangemanget nära ändarna av två PM-fiber 1 och 1', vilka skall smältskarvas med varandra med hjälp av en elektrisk urladdning mellan spetsama hos två elekt- roder 3. Två ljuskällor ll belyser skarvningsläget för fibrerna från dessas sidor med parallella ljusstrålar i två vinkelräta riktningar. Eftersom en optisk fiber själv verkar som en cylindrisk lins, uppträder en varierande ljusintensitetsfördelning i fibems fokalplan, såsom till exempel kan iakt- tas längs en linje belägen i fokalplanet och gående vinkelrät mot den optiska fibems längdaxel.

Genom att använda lämpliga fokuseringsanordningar, som åskådliggörs av optiska linser 7, av- bildas fyra ljusintensitetsfordelningar, tagna i objektplanen hos linsanordningarna, en för varje fi- berände och för varje riktning, i sin tur på de ljuskänsliga ytorna hos TV-kameror 9, innefattande tex plattor med CCD-element. Varje bild, som upptas av kameroma, innefattar sålunda bilder av ändarna hos de två PM-fibrerna vid skarvningsläget. De TV-signaler, som motsvarar varje tagen bild, bearbetas sedan i ett videogränssnitt 31 för att omvandla bildarnas intensitetsvärden till ett 10 15 20 25 30 Q p a n . . a a - - -a 523 806 a - - - . . ~ » . n. 5 lämpligt format för vidare bearbetning i en enhet 15 för bildbehandling och analys och följande visning på en videoskärm 17.

I fig. lb visas några fler detaljer av de mekaniska och elektriska anordningama i fiberskarv- ningsapparaten. Ändpartiema hos PM-fibrerna 1 och 1' hålls sålunda stadigt på plats av roterbara fixturer 22, som uppbärs av hållare 21 under arbetsstegen med inriktning och skarvning. Med hjälp av motorer 23 är hållama 21 förflyttningsbara i tre vinkelräta riktningar x, y och z, varvid z- riktningen t ex tas som parallell med fiberändamas längdriktning, se fig. la, och de roterbara fix- turerna är roterbara över en vinkel av 360°. Till elektrodema 3 och motorerna 23 går elektriska ledningar från drivkretsar 27 respektive 29 i en elektrisk kretsmodul 25. TV-kameran 9 är elekt- riskt förbunden med ett videogränssnitt 31 i den elektriska kretsmodulen 25, som i sin tur är för- bunden med enheten 15 för bildbehandling och analys för att avge upptagen bildinformation. De olika stegen för bearbetning av de inkommande datavärdena styrs av en logisk processorkrets 33 i den elektriska kretsmodulen 25 , som avger styrsignaler till drivkretsarna 27 och 29 i enlighet med avgivna data från enheten 15 för bildbehandling och analys. Detta betyder att fiberändama, som resultat av en speciell analys av ljusintensitetsfördelningen i PM-fibrernas 1 och 1' fokalplan, för- flyttas i förhållande till varandra enligt givna bearbetningsalgoritmer. På samma gång avges in- formation från de logiska processorkretsama 31 till enheten 15 för bildbehandling och analys för att styra den bearbetning och analys, som utförs i denna. Den logiska processorenheten 31 styr också de tidpunkter, när elektrisk högspänning skall läggas på elektrodema 3, varvid detta sätter igång, att en elektrisk ström börjar flyta i urladdningen mellan elektrodemas spetsar, och den styr också varaktigheten för denna ström och strömmens styrka. Den logiska processorkretsen 33 styr också belysningen erhållen från ljuskälloma 11.

Ur de bilder, som upptas av TV-kameroma 9, bestäms ljusintensitetsfördelningarna längs lämpligt valda linjer, som är vinkelräta mot fibremas 1, 1' ändars längdríktning i fibremas 1 och l' fokalplan, av enheten 15 för bildbehandling och analys. Ur dessa bestämda intensitetsfördel- ningar beräknas ljuskontrasten h för varje linje av enheten 15 för bildbehandling och analys så- som skillnaden mellan den maximala intensiteten i respektive fördelnings centrala topp, varvid denna topp motsvarar mittlinjen i längdriktningen i bildama av fiberändarna, och den relativt konstanta ljusintensiteten inom områden hos fördelningen, vilka är belägna invid och på båda si- dor om toppen. Man kan iaktta, att h-värdet varierar, när respektive fiberände vrids kring sin längdaxel. Variationen härrör från PM-fibremas optiska asymmetri såsom spänningsoniråden och/eller skillnader i brytningsindex, som har införts i manteln och/eller kärnan hos sådana fibrer.

Avsaknaden av optisk symmetri leder till en avsevärd skillnad vad beträffar h-värden från en vin- kel i azimuthalled eller vinkelläge i förhållande till en annan vinkel/ett annat vinkelläge. h-värdet 10 15 20 25 30 Q o o u > a n ; ø a u. n . 523 806 6 kan härigenom ange läget for fiberändens optiska asymmetrier. De h-värden, som bestäms ur - - » - . ~ ; a a n. motsvarande intensitetsfordelningar, när PM-fibremas ändar vrids, tex över ett helt varv, ger en ljuskontrastprofil som funktion av vinkelläget, ur vilken det kan vara möjligt att bestämma vin- kelläget for de optiska asymmetriema och ur detta polarisationsaxlama hos respektive ände av en PM-ñber. F ig. 2 visar de avsevärt olika h-värden, som erhålls for en PM-fiber av typ Panda vid två entydigt bestämda vinkellägen, nämligen längs den långsamma respektive snabba optiska polarisationsaxeln.

Fig. 3 är ett diagram, som visar en ljuskontrastprofil, vilken är uppmätt for n typisk PM-fi- ber av typ Panda, dvs h-värdena som funktion av vridningsvinkeln. Man kan iaktta, att en struktur med två toppar uppträder periodiskt i profilen. Periodiciteten är direkt korrelerad med fiberns symmetri med avseende på fiberns längdaxel. Huvudtoppama i profilen anger vinkelläget för de två optiska polarisationsaxlama, dvs den snabba och den långsamma axeln, hos fiberänden.

Mittläget hos den högsta toppen i profilen anger direkt vinkelläget hos den betraktade PM-fibems långsamrna axel. Detta beror på att ljuskontrasten gradvis ökar med minskande vinkelförskjutning mellan fortplantningsriktningama hos ljusstrålar och den långsamrna optiska axeln. Detta feno- men gäller for PM-fibrer av de flesta typer, tex Panda-fibrer och Bowtie-fibrer och PM-fibrer med elliptiska mantlar eller elliptiska kärnor. De optiska huvudaxlama for dessa PM-fibrer visas i tvärsektionsvyema i fig. 4.

Vinkelorienteringen hos PM-fibrers polarisationsaxlar kan bestämmas som läget for de långsamma optiska axlarna, såsom dessa ges av den ovan beskrivna profilanalysen, i förhållande till något godtyckligt valt nollvärde hos azimuthalvinkeln eller rotationsvinkeln. Nollvärdet kan väljas att vara t ex begynnelseläget for kalibrering eller nolläget från början hos de roterbara fi- berfixturerna 22. Vinkellägena hos de snabba optiska axlama ligger då 90° bort från vinkellägena hos de långsamma optiska axlama.

Vid noggrant betraktande av fig. 3 framträder en detaljerad struktur i den högsta toppen.

Denna struktur kan huvudsakligen tillskrivas fiberkämans inverkan på ljustransmissionen längs spänningsområdena, i något litet område kring vinkelläget hos den betraktade fiberänden, vid vil- ket den långsamma optiska axeln är parallell med observationsriktningen. Det är därför nödvän- digt att välja ett lämpligt forfarande for att uppgöra en modell for ljuskontrastprofilen och att ut- vinna mer detaljerad information ur profilen, så att läget hos den långsamma optiska axeln kan noggrant bestämmas.

I diagrammet i fig. 5 är en typisk ljuskontrastprofil inritad, som är uppmätt for en PM-fiber med elliptisk kärna. Betydelsefulla skillnader mellan denna profil och den profil, som uppmäts for Panda-fibem, se fig. 3, kan iakttas. För det första uppträder for en PM-fiber med elliptisk 10 15 20 25 30 523 806 7 kärna endast en topp periodiskt i profilen, varvid denna topp anger fiberns långsamma optiska . - ~ ~ n - . Q . n. axel. För det andra är h-värdenas spann en storleksordning mindre, nämligen omkring 10 gråska- lenivåer för PM-fibrer med elliptisk kärna vid mätning i en typisk automatisk fiberskarvningsap- parat, jämfört med det spann, som erhålls för Panda-fibem, vilket är omkring 100 gråskalenivåer.

Detta lilla spann beror på att skillnaden vad gäller längd mellan storaxeln och lillaxeln i den el- liptiska formen hos kärnan i PM-fibrer med elliptisk kärna är mycket liten, endast 1 - 2 um i ett typiskt fall. Det är från allmän erfarenhet vad gäller mätningar uppenbart, att en profil med ett li- tet variationssparm ofta ger låg noggrannhet vad gäller bestämda vinkellägen hos polarisations- axlarna och därigenom en låg kvalitet hos den vinkelinriktning, som är baserad på de bestämda vinkellägena. Därför måste speciella metoder såsom "självdefokusering", som skall beskrivas nedan, användas för att övervinna detta problem.

För vinkelinriktning av två ändar av PM-fibrer kan allmänna steg utföras på följande sätt: att välja ett väldefinierat samplingsornråde för vinklarna, typiskt 360°, inom vilket ljusinten- sitetsfördelníngen uppmäts och att ur denna beräkna ljuskontrastprofiler för de två PM-fiberän- dama, att bestämma de långsamma optiska axlarna genom en noggrann analys av de erhållna pro- filerna, och att inrikta de långsamma axlarna hos de två PM-fiberändama med varandra. För de numeriska beräkningar, som är nödvändiga vid utförande av förfarandet, kan det antas, att det totala antalet N uppmätta punkter för bildande av ljuskontrastprofilerna för de två fibrema kan re- presenteras av två vektorer respektive: 9A: fgaü, Gal, GaZ, ---,9aaxis, --->9aN-1} 913 = {9bo, 9b1,9bz,---,9baxfs, ---,9bN-1} (1) (2) där Ga 0 och Gb 0 är de azimuthala vinklarna från början i förhållande till nollvärdena. Om de i hu- vudsak godtyckliga begynnelselägena för fiberroterama 22 väljs att vara nollvärdena Ga 0= Gb 0 = 0°. Ga, m, och Gb, m, är de azimuthalvinklar, vid vilka de långsamma optiska axlarna är belägna, dvs vid dessa vinklar är de långsamma optiska axlarna parallella med respektive observations- riktning, som ligger i den optiska axeln hos respektive linsanordning 7. Sålunda ges vinkelför- skjutningen AG) mellan de två flberändamas polarisationsaxlar av: A®=l9aaxis “Gbaxisl Det bör iakttas, att ingendera av de sanna värdena Ga am eller Gb m, normalt är en vinkel, vid vilken en ljusintensitetsfördelning har uppmätts, men dessa vinkellägen är vanligen belägna mel- 10 15 20 25 30 n a o » . Q q ~ - u ~. 523 806 8 - o n - . ~ » . ~ n. lan två vinkellägen, vid vilka mätningar har utförts, varvid mätningarna görs för vinklar med ändligt konstant avstånd från varandra. Noggrannheten vid bestämning av vinklarna Ga am och Bb an, beror i huvudsak på variationen inom närområden för ljuskontrastprofilerna, valet av den vid beräkningen använda modellen, såsom skall beskrivas nedan, och kvaliteten hos de använda mekaniska rotatorema 22. Fastän noggrannheten hos vinkelinriktningen av polarisationsaxlama inte bestäms direkt av antalet N mätvärden, kan man föredra att ta ett relativt stort antal N, typiskt 90-180 punkter inom ett område av O - l80° eller 0 - 360°, beroende på fibremas symmetri och kraven på upplösning hos profilen.

Efter det att smältskarvningar har utförts, kan den kvarvarande vinkelförskjutningen A9 mellan de långsamma axlarna hos de två PM-fiberändarna bestämmas genom att detektera de långsamrna axlarna med hjälp av samma förfarande, som har diskuterats ovan, genom att rotera de två hopskarvade fiberändarna som en enhet. F örskjutningen A9 kan användas för att skatta försämringen av det polarisationsberoende utsläckningsförhållandet, PER, beroende på skarv- ningssteget. Denna försämring betecknas AF och ges av: Ar = Fbefore ' rafter Taflar = 10 log {(1 + p cos2 A8) / (l - p cos2 AS)} (5) p=(1o'fb=f°m'”°-1)/(1olfaafa,alfl° + 1) (6) där Fbafam och Pafia, är PER-värdena alldeles före resp. alldeles efter det att skarvningssteget har ägt rum. Fbafm och Pafia, erhålls vanligen från det uppmätta PER-värdet för en höggradigt polari- seras ljuskälla, tagen vid den första fibems 1 respektive den andra fibems 1' på avstånd belägna ändar. I ekvationerna (5) och (6) antas också, att ett kort stycke av den andra fibern 1', i det ty- piska fallet med en längd av 2 meter, skall användas för att utföra mätningarna av Pafiaa, så att den försämring av PER-värdet, vilket orsakas av skarven, kan isoleras.

För att noggrant bestämma läget för den långsamma optiska axeln ur ljuskontrastprofilen kan ett kurvanpassningsförfarande, en så kallad anpassning av typen chi-kvadrat (X2). Med detta förfarande är det möjligt att bilda en modell för den uppmätta profilen genom att superponera analytiska funktioner plus en brusbakgrund. Därigenom kan kvaliteten hos en kurvanpassning ut- värderas med hjälp av en reducerad chi-kvadratfunktion. Den reducerade chi-kvadratfunktionen kan uttryckas genom: 10 15 20 25 | » ø | .- 523 806 9 - - - - . > » . . s. n 2 Fm, ) - Z Gw, nu at” , 41,3, __.) - c _/=1 1 AF i (7) där G(.9, ; a/J, agj, agj, ) är en analytisk funktion med jzte anpassningsparametrar a1_,-, agj, agj, och F ( 9,) är medelvärdet för det í :te mätta h-värdet vid azimuthalvinkeln S, med ett mätfel AF ,- É[F<ß,>-ß(-9,)F , där /=l for mätningen. Här skattas AF, av standarddeviationen : AF,- z íll- F1(19,-) är det l-te individuellt mätta h-värdet bland de totala antalet värden med M enheter, vid vinkeln 9,- och N är totala antalet h-värden, eller det totala antalet mätpunkter i vinkelled. C är ett konstant värde, som representerar brusbakgrunden i avbildningssystemet. u är antalet anpass- ningsparametrar, som varieras under anpassningsförfarandet, och n är antalet oberoende analy- tiska funktioner, vilka används i anpassningsfórfarandet.

Vid profilanalysen visar det sig att en enkel gaussisk funktion kan vara en lämplig analytisk funktion for att bilda en modell av den högsta toppen, vid vilken den långsamma optiska axeln är belägen. Sålunda kan ekvation (7) reduceras till: AF (3) (F(.9,)-G(s,;a,,a,,a,)-cï 1 1 där G(t9,-; a1,a2,a3) är den gaussiska funktionen med anpassningsparametrar al, a; och a3. Para- metem a; står för funktionens höjd och parametrarna a; och a; står för det förväntade mittläget för den högsta toppen i profilen respektive den hela bredden (FWHM) vid toppens halva värde.

Den bästa uppsättningen anpassningsparameter {a1,;,e,,, azbefl, albm, C} är den uppsättning, som maximerar sannolikheten att den gaussiska funktionen representerar de uppmätta datavärdena hos funktionen F(.9,-). I det praktiska fallet inmatas parametrarna {a1,;,e,,, azbefl, ajbm, C} till en nume- risk iterationsslinga, i vilken X2 beräknas. För att fortsätta anpassningsforfarandet ändras sedan parametrarna på systematiskt sätt for att uppnå ett önskat resultat med X2 zl. Därigenom ges läget för den långsamma optiska axeln av agjm, Begynnelsevärdena {a1,0, am, agg, C} för anpass- ningen bestäms med hjälp av en föranalys av höjdprofilerna och t ex kan am = Max[F(t9,-)], an) = t9,-{Max[F(9,-)]}, am = 2|a2,0 - 9 k {Max[F(t9,-)]/2}[, C = Mín[F(t9,»)] väljas.

Enligt grundläggande matematik kan ljuskontrastprofllen i princip representeras av varje 10 15 20 25 30 5 2 3 8 0 6 10 uppsättning elementära funktioner, tex polynomfunktioner och rationella funktioner, logarit- - . . » » - . - - .- miska funktioner, exponentialfunktioner, potensfunktioner och hyperboliska funktioner, trigono- metriska och inversa trigonometriska funktioner, etc. Valet av de analytiska funktionerna beror huvudsakligen på kraven på inriktningsnoggrannhet och tiden för att utföra de nödvändiga beräk- ningarna. Dessa krav kan variera beroende på typen hos den betraktade PM-fibem. Ett typiskt ex- empel är en trunkerad fourierserie, som med framgång har använts för att bilda modeller för PM- profilerna hos Panda- och Bowtie-typema av PM-fibrer, se Wenxin Zheng, "Automated Fusion- Splicing of Polarization Maintaining Fibers", IEEE J. Lightwave Tech., vol. 15, nr 1, 1997.

Såsom kan erhållas från den ovan givna diskussionen, är ett största möjligt spann hos va- riationen av h-värdena väsentligt för att säkerställa en hög kvalitet hos ljuskontrastprofilen och därigenom en hög noggrannhet hos vinkelinriktningen av polarisationsaxlarna. Såsom har nämnts ovan, är dock tyvärr för PM-fibrer med elliptisk käma variationsområdet hos h-värdena vanligen mindre än 10 gråskalenivåer vid mätning i en typisk automatiserad smältskarvningsanordning.

Detta gör, att profilen och särskilt beräkningar baserade på denna blir ytterst känsliga för inställ- ningar av det optiska avbildningssystemet. I fig. 6 visas ett typiskt avbildningssystem, som an- vänds för inriktning i en automatiserad smältskarvningsanordning med ljusbåge. I detta fall bely- ses fibern av en lysdiod (LED) 60. En diffusor 70 är monterad framför LED:en för att förbättra belysningen. Ur det diffusa ljuset bildas en skarp ljusintensitetsfördelning i ett fokalplan hos fi- beränden 1, 1' för en given azimuthalvinkel. Beroende på att den optiska transmissionen tvärs ge- nom fiberänden under vridningen av denna i azimuthalled ändrar sig, varierar dock läget hos fo- kalplanet. Därigenom bildas "ett effektivt fokalplan" 80 med en viss bredd W, som visas med ett grått fält i fig. 6. Å andra sidan är observationsplanet 90 hos det optiska avbildningssystemet, som anges av det tjocka svarta strecket i fig. 6, vanligen mycket skarpt, dvs har ett mycket litet djup eller mycket liten tjocklek, beroende på den höga kvaliteten hos det optiska systemet, som symboliskt anges av linsen 7. Det kan inses, att det bästa observationsplanet för att bestämma ett noggrant värde på läget för de långsamma och snabba axlarna hos en PM-fiber bör uppkomma, när observationsplanet ungefärligen sammanfaller med det fokalplan, vilket erhålls, när den lång- samma optiska axeln hos den betraktade fibem är orienterad i fortplantningsriktningen hos de belysande ljusstrålama och parallella med den optiska axeln hos det avbildande systemet 7, se fig. 6. För denna orientering kan den långsamma optiska axeln uppenbarligen upplösas på bästa sätt och det största variationsområdet hos h-värdena kan således erhållas. För en sådan inställning er- hålls sålunda den bästa kvaliteten för ljuskontrastprofilen för bestämning av de önskade vink- larna. Man finner, att det godtagbara avståndet vid felinställning uttryckt i läget hos det bästa ob- servationsplanet beror starkt av typen hos den betraktade PM-fibern. För PM-fibrer av typen med 10 15 20 25 30 a . u u u.

. Q . Q nu 523 806 ll .nu ., elliptisk kärna är det godtagbara felinställningsavståndet typiskt endast några få um.

Ett "självdefokuseringsförfarande" skall nu beskrivas, som syftar till att automatiskt söka efter det bästa observationsplanet. Det förfarande kan uppdelas i fem steg: ( 1) att bestämma en ungefärlig vinkelorientering för de långsamrna optiska axlama för de två fiberändar, vilka skall smältskarvas ihop med varandra, och att inrikta dessa axlar med varandra baserat på bestämning- arna, (2) att finna ett referensläge hos det optiska systemet för att börja defokuseringsförfarandet, (3) att bestämma riktningen för defokuseringen, (4) att söka efter det bästa observationsplanet och (5) att bestämma en förbättrad orientering hos den långsamma optiska axeln för var och en av de två fibrerna.

Steget (1) är okomplicerat och använder sig av det ovan beskrivna numeriska förfaran- det. För steget (2) kan ett referensläge för det optiska eller avbildande systemet för defokuse- ringsförfarandet tas som det läge eller inställning för det optiska systemet, som har ett observa- tionsplan 90, för vilket en skarp bild av fibermantelns sidor erhålls, sett i riktningen för den op- tiska axeln hos det avbildande systemet 7, eftersom läget för ett sådant observationsplan vid si- dorna är nästan oberoende av den faktiska fibertypen för fibrer med samma manteldiameter. Al- ternativt kan referensläget tas som det läge, i vilket mittdelen av ljusintensitetsfördelningen, mot- svarande mittdelen i bilden av fiberänden och området närmast omkring denna, skarpt avbildas på kamerans 9 ljuskänsliga område. Detta läge varierar också endast obetydligt för fibrer av olika typer. Vid utförande av steg (3) utförs ett speciellt förfarande med bildanalys, som skall beskrivas nedan.

I fig. 7a och 7b visas två bilder, som har tagits, när observationsplanet har förflyttats i två motsatta defokuseringsriktningar, till lägen några tiotals um bort från referensläget, vilket motsvarar att förflytta observationsplanet till höger sett i fig. 7a, dvs närmare det avbildande sys- temet 7, och till vänster, dvs längre bort från det avbildande systemet, sett i fig. 7b, i förhållande till det effektiva fokalplanet eller fokalområdet 80, som anges i fig. 6. Ljusintensitetsfördelning- arna, som visas med vita streck och är erhållna ur bilderna, ses vara väsentligt olika för de två de- fokuseringsriktningarna. Det iakttas vidare, att det bästa observationsplanet endast kan bestäm- mas, när observationsplanet förflyttas i samma riktning som den, vilken har använts för att uppta fig. 7b, Därför kan en tröskel sättas för att på enkelt sätt identifiera den korrekta sökningsrikt- ningen. Efter det att den riktiga sökningsriktningen har bestämts, sätts numeriska iterationsslingor med ett förutbestämt sökningsområde och med förutbestämd längd hos iterationsstegen i arbets- steget (4). Ett typiskt sökningsområde och en typisk steglängd kan vara 20 um respektive 0,5 um.

De beräkningar, som utförs i en iterationsslinga, avslutas sålunda, om en godtagbar nivå av de- 10 15 20 25 30 - a - ; ., ~ . . . . . u. 523 806 12 formation hos ljuskontrastprofilen kan bestämmas. Huruvida graden av deformation är godtagbar, ' ° ° - ~ u . - n .. erhålls genom järnförelse med den absoluta avvikelsen Ah, för h-värdena och två förutbestämda tröskelvärden hcl och hcg. Värdena hc1 och hc; är experimentellt bestämda storheter, som anger två typiska typer av deformationer, benämnda planhet respektive gnistning. Den absoluta avvikelsen beräknas på följande sätt: i+p Ah, =2|h,,,, -h,|, i= 1,2, ...,N-p-1 (10) k=| och den bör uppfylla villkoren Ah, 2 hc; (l 1) Ah; S hcg (12) där hcl 5 hcz. p är antalet steg mindre än N-1 för kontroll av defonnationsgraden och det förvalda värdet på detta beror på lutningen hos lj uskontrastprofilen för PM-fibern av den betraktade typen.

I det typiska fallet har p ett värde i området 3 - 5. Arbetssteget (5) är återigen okomplicerat enligt den ovan givna beskrivningen av det numeriska anpassningsförfarandet.

Det bör påpekas, att det ovan skisserade "sj älvdefokuserande" förfarandet inte behöver vara nödvändigt för PM-fibrer med stor variation hos sina h-värden, såsom för Panda- och Bowtie-fib- rer. Detta beror på, att de godtagbara sträckoma för bristande överensstämmelse för sådana PM- fibrer är mycket större än, minst 2 - 3 gånger, än för PM-fibrer med elliptiska kärnor.

Baserat på de ovan beskrivna begreppen visas i fig. 8 ett förenklat programflödesschema, som innefattar steg, vilka utförs vid förfarandet för inriktning av de optiska huvudaxlama, som innefattar ett självdefokuseringsförfarande. Med hänvisning till detta flödesschema och blocket 105 i detta startar det vanliga smältskarvningsförfarandet genom att rengöra PM-fibrernas ändar och sedan inrikta dessa linjärt med varandra, dvs inrikta de yttre sidorna hos deras mantlar eller att inrikta dem baserat skarp fokusering vid mitten av fiberbildema, genom att förflytta hållarna 21 i respektive koordinatriktning x, y och z, se också fig. la och lb. I nästa steg, blocket 110, vrids de fasthållna fiberändama genom att manövrera de roterbara fixturerna 22 samtidigt, så att dessa förflyttas parallellt som en enda enhet med lämpliga vinkelsteg, t ex över ett helt varv. För varje vinkelsteg upptas bilder, avbildade av linsanordningama 7 och mottagna av TV-kamerorna 9. Sedan bestäms och registreras ur de tagna bilderna, i enheten 15 för bildbehandling och analys, ljusintensitetsfördelningarna längs lämpligt valda linjer vinkelräta mot fiberbildemas längdaxlar. 10 15 20 25 30 n a o u a. - . > a - u .- S23 806 13 Ur de bestämda intensitetsfördelningarna härleds kontrastprofilema, dvs h-värdena som funktio- ner av vridningsvinkeln, i samma enhet 15 och kurvanpassningar utförs, såsom beskrivits ovan.

Slutligen bestäms ur de anpassade kurvorna vinkellägena för de långsamma och snabba optiska axlarna hos PM-fibrernas ändar.

I nästa block 115 bestäms variationsspannet hos h-värdena, vilka beräknas för var och en av hmm), och det bestäms, huruvida det bestämda området (hmax - hmm) för var och en av de två PM-fib- de två PM-fibremas ändar, som skillnaden mellan maximum och minimum för h, h, (hmax - rerna är större än eller lika med något förutbestämt värde, såsom 30 i en automatiserad skarv- ningsapparat av standardtyp. Om området bestäms vara större än det förutbestämda värdet, är självdefokuseringsförfarandet inte nödvändigt, och då kan i blocket 120 inriktning av polarisa- tionsaxlarna hos de två PM-fibremas ändar utföras, genom att beräkna vinkelförskjutningen A® eller skillnaden i axlamas orientering för de långsamma optiska axlarna hos PM-fibremas ändar och sedan vrida fiberändarna i förhållande till varandra en vinkel, som motsvarar denna skillnad.

De vanliga smältskarvningsförfarandena utförs sedan i slutblocket 125.

Om i blocket 115 variationsområdet för h-värdena för endera fibem avgörs vara mindre än det förutbestämda värdet såsom 30, utförs ett block 130, i vilket polarisationsaxlama hos de två PM-fiberändama grovt vinkelinriktas med varandra genom att vrida fiberändarna i förhållande till varandra, såsom har beskrivits ovan för blocket 120. Sedan bestäms ett referensläge för fokuse- ringsinställningen av det avbildandet systemet baserat på en skarp fokusering antingen på fibrer- nas mantelsidor eller på den längsgående mittdelen av bildema av fiberändarna, såsom diskute- rats ovan. Den riktning, i vilken den av det defokuserande förfarandet skall påbörjas, bestäms se- dan, genom att förflytta observationsplanet till ett läge närmare det avbildande systemet 7 och till ett läge mer avlägset från det avbildande systemet, vrida fiberändarna, så att dessa får sina lång- samma optiska axlar belägna ungefärligen parallellt med den optiska axeln hos det avbildande systemet, och uppta bilder för var och en av fibrerna, bestämma ljusintensitetsfördelningar längs lämpliga linjer, såsom har beskrivits ovan, och utvärdera de bestämda intensitetsfördelningama för att bestämma det läge, i vilket ljusintensitetsfördelningen har de brantaste och skarpaste kan- tema. Detta läge tas att ange den riktning, i vilken observationsplanet skall förflyttas för att er- hålla en intensitetsfördclning, som har det största variationsområdet. En iterationsslinga påbörjas sedan i nästa lock 135 genom att förflytta fokus, dvs observationsplanet, från referensläget med ett steg med förutbestämd längd i den bestämda riktningen. I block 140 vrids PM-fibremas ändar samtidigt stegvis, bilder tas samtidigt för varje steg, ljusintensitetsfördelningar längs linjer be- stäms, kontrastprofilerna beräknas och vinkellägena för de optiska huvudaxlarna för varje fiber- ände bestäms på ett sätt liknandet det, som har beskrivits ovan för blocket 110. Stegen tas inom 10 15 523 806 14 ~ n « . .. . - ø . > n . - . ' . ,' ett vinkelintervall, vilket är beläget symmetriskt omkring det inställda vinkelvärdet, i vilket de långsamma optiska axlarna är tillnärmelsevis parallella med observationsriktningen/den optiska axeln hos det avbildande systemet. Därefter undersöks i block 145 den absoluta avvikelsen för värdena i de nu bestämda kontrastproñlema, dvs h-värdena, medan antalet kontrollsteg p = 5 N-2 ”Pi väljs och de absoluta variationema beräknas Ah, = Elhm - hk| för alla heltal í= 1, 2, 3, N-p- k=l 1, så att området, när de absoluta variationerna beräknas, innefattar de maximala och de minimala värdena hos ljuskontrastprofilema. I block 150 avgörs, huruvida de två villkoren Ah; 2 hc; och Ahi s hc; är uppfyllda för alla ízn, varvid hc; och ha; är planhets- respektive gnistningskriteriema, så- som har diskuterats ovan, och hcl S hcg. I fall det avgörs, att Ahi uppfyller villkoren, vilket inne- bär, att självdefokuseringsförfarandet har varit framgångsrikt, fortsätter förfarandet i blocket 120, i vilket en slutlig inriktning av fibremas polarisationsaxlar utförs, såsom har beskrivits ovan.

Om det i blocket 150 avgörs, att de beräknade absoluta avvikelsema inte uppfyller villko- ren, fortsätter självdefokuseringsiörfarandet genom att utföra blocket 135 på nytt, genom att för- flytta observationsplanet med samma steg i samma bestämda riktning för defokusering, såsom har ovan beskrivits.

Claims (9)

10 15 20 25 30 523 806 1 5 PATENTKRAV - - u - . » . a . ..

1. Förfarande för att inrikta polarisationsaxlama hos fiberändar i två optiska polarisationsbevarande fibrer med varandra innefattande de efter varandra utförda stegen: - att placera fiberändarna invid varandra med längdaxlar hos fiberändarna inriktade med var- andra, - att vrida fiberändarna med upprepade vinkelsteg omkring ñberändamas längdaxlar för att inta efter varandra följ ande vinkellägen och därvid för varje vinkelsteg eller vinkelläge: - - att uppta bilder av fiberändarna sett i ett observationsplan, - - att bestämma från varje upptagen bild en ljusintensitetsfördelning längs en linje vinkelrätt mot längdriktningen hos var och en av fiberändarna, och - - att ur den bestämda ljusintensitetsfördelningen bestämrna ett kontrastvärde h för varje fiber- ände, - varvid detta för varje fiberände ger en ljuskontrastprofil med h-värden bestämda som firnktion av vinkelläget, - att ur ljuskontrastprofilema bestämma vinkelläget för fiberändamas polarisationsaxlar, och - att vrida fiberändarna i förhållande till varandra med en vinkel, som är lika med skillnaden mellan vinkellägena för fiberändarnas polarisationsaxlar, kännetecknat av att i delsteget med att uppta bilder av ñberändarna sett i ett observationsplan, tas observationsplanet, så att variationsområdena, dvs skillnaderna mellan maximum- och mini- mumvärden, hos de resulterande lj uskontrastprofilema får så stora vården som möjligt.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att när observationsplanet tas, utförs först fokusering på yttre mantelsidor av fiberändama, sett i en observationsriktning, så att observa- tionsplanet i ett referensläge passerar genom längdaxeln hos ñberändarna, eller fokusering först utförs för att erhålla skarpa bilder av områden av bildema, vilka motsvarar längsgående mittom- råden i bildema av fiberändarna, och att sedan observationsplanet förflyttas en sträcka framåt el- ler tillbaka från referensläget.

3. Förfarande enligt krav l, kännetecknat av att när observationsplanet tas, utförs följande steg: - att först observationsplanet fiirflyttas till ett referensläge, i vilket ett skarpt fokus erhålls för de yttre mantelsidoma hos fiberändarna, sett i en observationsriktning, så att observationsplanet i re- ferensläget passerar genom fiberändamas längdaxlar, eller i vilket fokuseringen är sådan, att skarpa bilder av områden av bilderna, som motsvarar längsgående mittområden i bildema av fi- berändarna erhålls, och - att sedan från referensläget utförs en iterativ sökning genom att förflytta observationsplanet för 10 15 20 25 30 n Q Q - .- . . . . n. 523 806 16 att bestämma det observationsplan, i vilket bilder av fibrema upptas. . . o . . n ø » ~ . u,

4. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att vid utförande av den iterativa sökningen - bestäms först en riktning för förflyttning av observationsplanet, varvid riktningen antingen är framåt eller bakåt, och - sedan förflyttas observationsplanet med upprepade steg med förutbestämd första längd förflyttas från referensläget och i den bestämda förflyttningsriktningen.

5. Förfarande enligt krav 4, kännetecknat av att vid bestämning av förflyttningsriktningen, bestäms riktningen, genom att förflytta observationsbandet framåt och bakåt från referensläget med ett steg med en andra förutbestämd längd och genom att för varje läge bestämma variationen i ljuskontrastprofilen.

6. F örfarande enligt krav 3, kännetecknat av att före den iterativa sökningen vrids fiberän- darna, med användning av de förutbestämda vinkellägena, till vinkelreferenslägen, i vilka deras långsamma polarisationsaxlar är parallella med observationsriktningen och att sedan för varje steg i den iterativa sökningen först fiberändama vrids med upprepade vinkelsteg kring sina längdaxlar för att inta vinkellägen inom ett intervall, som är centrerat kring referensläget, och att ljuskontrastprofilema bestäms för intervallet, varvid sökningen stannas, när alla ljuskontrastpro- filerna har tillräcklig variation.

7. Förfarande enligt krav 6, kännetecknat av - att för bestämning av variationen för de bestämda ljuskontrastprofilema för varje fiberändar be- 1+p räknas graden av deformation enligt Ah, = Z|hm -hk|, i k=| 1, 2, ..., N-p-1, där N är antalet vinkellägen inom intervallet, p S N-2 är ett förutbestämt antal kontrollsteg och hk, k = 1, 2, ..., N är de bestämda lj uskontrastvärdena inom intervallet, - att den iterativa sökningen stoppas, när alla grader Ah; av deformation ligger inom ett förutbe- stämt värdeområde, dvs hc; S Ah, S hcz, där hel och hc; är förutbestämda tröskelvärden, för alla värden i.

8. Anordning för att inrikta polarisationsaxlar hos fiberändar av två optiska polarisationsbevarande fibrer med varandra innefattande: - två hållarorgan, vilka var och ett är anordnat att fasthålla en ände av en optisk fiber och att för- flytta och vrida änden ett helt varv kring ändens längdaxel, - styrorgan förbundna med de två hållarorganen för att styra dessa för att inrikta längdaxlama hos ändar av optiska fibrer, vilka fasthålls av hållarorganen, och att förflytta ändarna till ett nära lig- gande förhållande vid ett skarvningsläge och att därefter vrida ändarna, - en ljuskälla för att med parallellt ljus belysa ändama vid skawningsläget från en sida av än- 10 15 20 25 30 523 806 o n u ø ua s - - - » n. 17 dama, - en TV-kamera med en ljuskänslig yta och för avgivande av videosignaler, - en linsanordning med en optisk axel för att avbilda skarvningsläget taget i ett observationsplan på den ljuskänsliga ytan, varvid TV-kameran därvid upptar bilder av skarvningsläget, - organ för bearbetning och analys förbundna med styrorganen och med TV-kameran för att bear- beta och analysera videosignaler mottagna från TV-kameran, - varvid styrorganen är anordnade att styra hållarorganen för att vrida fiberändarna med uppre- pade vinkelsteg omkring ñberändens längdaxel för att inta efter varandra följande vinkellägen och därvid för varje vinkelläge styra organen för bearbetning och analys för att ur den tagna bil- den i varje vinkelläge bestämma en ljusintensitetsfördelning längs en linje vinkelrät mot ñberän- dens längdriktning och ur den bestämda ljusintensitetsfördelningen bestämda ett kontrastvärde h, varvid detta för varje fiberände ger en ljuskontrastprofil med h-värden bestämda som funktion av vinkelläget, - varvid styrorganen vidare är anordnade att styra organen för bearbetning och analys för att ur de bestämda ljuskontrastprofilerna bestämma vinkelläget hos huvudpolarisationsaxlar i fiberändarna, - varvid styrorganen vidare är anordnade att styra hållarorganen för att vrida fiberändarna i för- hållande till varandra en vinkel lika med skillnaden mellan de bestämda vinkellägena hos fiber- ändarnas huvudaxlar, kännetecknad av att styrorganen är anordnade att styra hållarorganen att förflytta fiberändarna för att bringa observationsplanet att inta ett läge, så att variationsområdena hos de bestämda ljus- kontrastprofilema erhåller så stora värden som möjligt.

9. Anordning enligt krav 8, kännetecknad av att organen för bearbetning och analys innefattar: - beräkningsorgan för att beräkna variationsområden som skillnaden mellan maximala och mini- mala värden i de bestämda ljuskontrastprofilema, - jäniförelseorgan förbundna med beräkningsorganen för att jämföra variationsområdena med ett förutbestämt värde, och - beslutsorgan förbundna med jämförelseorganen för att avgöra, om observationsplanet skall för- flyttas till ett nytt läge.