专利名称：利用放电对光纤进行加热的设备和方法
背景技术：
发明领域本发明涉及一种用于在通过放电将具有不同模式场直径的多根光纤进行熔接之后，利用放电对光纤带的多根光纤的熔接部分附近进行加热的方法和装置。
相关技术的描述用于连接光纤带中光纤的顺序操作规程(ordinal practice)，是通过在一步操作中大量熔接多根光纤来进行。在该操作过程中，在同时熔化光纤带的两端时，光纤带中的光纤被熔接起来，并且通过利用一对放电电极之间产生放电的能量使它们彼此靠紧。
近年来，人们正在致力于开发用于波分复用传输和拉曼放大器中的、普通的单模光纤与功能光纤相结合的混合光纤。在这种混合光纤的发展过程中，重要的是不仅要改善光纤特性，而且要改进光纤连接技术。
图7A至7C表示利用放电对光纤进行熔接的连接方法的示意图。图7A为透视图，表示该连接方法。图7B为局部视图，表示放电是如何发生的，图7C表示施加给各根光纤的热能分布。在图7A至7C中，数字1表示光纤带，2为光纤带1中的光纤，4为熔接点，5为V-型槽基板，6为夹持件，7为放电电极，8为电弧。为了进行熔接，操作者首先在光纤带1端部处将包层从光纤带上剥去，从而将光纤2暴露在外。利用V-型槽基板5和夹持件6将光纤2保持在适当的位置。然后，调整光纤2，使每两根光纤的端面彼此相对并具有一预定的间隙。此后，在偏离光纤2的分布平面设置的一对放电电极7之间产生电弧；当每两根光纤2的端部被熔化时，将任一光纤2相对另一光纤推动，或者沿相反方向推动两根光纤2，从而在一步操作中将所有的光纤2熔接在一起。
不过，如果如图7B所示多根光纤2排列在同一平面中，则远离光纤阵列中心设置的光纤2a和接近中心设置的光纤2b接收到不同量的热能，因为距离任一个放电电极7顶部越近，光纤2接收的放电能量越高。由于外部的光纤2a阻挡了内部的光纤2b，所以接收的热能也会不同。图7C表示施加给多根光纤2的热能分布；显然，与内部光纤2b相比，更多的热能被施加给外部光纤2a。结果导致不均匀的熔接。
在对彼此具有不同模式场直径的普通的单模光纤与功能光纤进行连接的情形中，仅基于电弧放电的熔接难以获得实际可接受的耦合损耗。因而，对熔接部分4附近进行另外加热，且至少逐渐地将其中一根光纤的芯径增大(逐渐变细)成平滑形状，从而在连接点处使它们具有相等的模式场直径。以前将这种方法称为热扩散膨胀芯(后面，称为TEC)方法。例如，在日本专利登记号No.2,618,500中描述了一种TEC。
图8表示在熔接之后进行另外的加热过程的一个例子。图8A表示设置在准备进行熔接的配合位置处具有不同模式场直径的两根光纤；图8B表示已经使用电弧放电被熔接在一起的两根光纤；图8C表示对连接进行加热以执行TEC处理。在图8中，数字3a和3b指芯部；其它数字与图7中所使用的相同，省略了对其的详细解释。
待熔接的光纤2具有相同的外包层直径，但芯3a和3b的直径和相对折射率差不同；因而，这些光纤具有不同的模式场直径。当如图8A所示将光纤2设置成使其待连接的端面彼此相对之后，如图8B所示，使用电弧放电将两根光纤的端部熔接在一起。如果使用电弧放电仅将两根光纤的端部熔接在一起，则由于模式场直径的差别产生两根光纤的间断或者匹配不当的连接，使连接损耗表现出较高的值。
为了解决这个问题，使用电弧放电对熔接部分4附近进行加热，以实现TEC处理(参见图8C)。在光纤2本身没有被熔化而加入芯3a和3b的掺杂剂被热扩散到包层中的温度和时间条件下，实现加热。掺杂剂增大了光纤芯的折射率。
在这种情况下，该光纤比其它光纤具有足够小的芯径，而且具有较大的相对折射率差。
作为这种加热的结果，该光纤的芯3b的直径逐渐增大(逐渐变细)，从而减少与另一光纤的芯3a的间断或者不匹配。因此，减小了连接损耗。如果在这种不同光纤的熔接之后进行上述TEC处理，使具有较小芯径的光纤的模式场直径逐渐接近于另一光纤的模式场直径，从而可减小连接损耗。如已经提到的，按照图7所述的方式，通过放电进行加热的方法会产生不均匀的熔接，因为与内部光纤2b相比，更多的热能被施加给了外部光纤2a。在熔接期间的这种加热过程中，TEC也进行到某种程度。如果以与熔接相同的方式进行用于TEC处理的加热，则内部光纤2b的TEC处理的进展是如此之慢，以致在完成加热时过量的热能被施加给了外部光纤2a，，从而增大而不是减小了连接损耗。
发明概述本发明的一个目的在于提供一种通过放电加热光纤的方法，通过组合用于熔接的基于放电的加热和用于TEC处理的基于放电的加热，能够将基本均匀的热能施加给具有同轴芯部的光纤带中所有的光纤。
本发明的另一个目的在于提供一种实现该方法的设备。
作为本发明的第一个方面，一种用于利用放电加热第一光纤带和第二光纤带的方法，该第一和第二光纤带分别具有彼此平行排列的多根光纤，该方法包括以下步骤a)利用放电熔接第一和第二光纤带的光纤；b)在与排列有光纤的平面垂直的方向设置至少一对放电电极；c)利用该对放电电极之间产生的放电，对第一和第二光纤带的光纤的熔接部分附近进行加热，同时该对放电电极沿光纤排列方向和光纤的轴向其中至少之一移动，使得与远离中心设置的光纤相比，将更多的热能施加给接近于光纤阵列中心设置的光纤。
另外，已知通过加热进行的TEC处理在类似光纤的熔接中也是有效的，因为在熔接中通过向外扩张(flaring)两根光纤的芯径，可以减小偏心所导致的光纤的连接损耗。
作为本发明第二个方面，本发明的设备用于在光纤熔接之后，通过放电对光纤的熔接部分附近进行加热，该设备包括在与排列有光纤的平面垂直的方向设置至少一对放电电极；一运动机构，沿光纤的排列方向和光纤的轴向其中至少之一，对放电电极和光纤其中至少之一进行移动；以及一控制部件，以这样一种方式控制向光纤施加热能，使得与远离中心设置的光纤相比，将更多的热能施加给靠近光纤阵列中心设置的光纤。
附图简述
图1A至1C为说明第一实施例的略图；图2A至2C为说明第二实施例的略图；图3A至3C为说明第三实施例的略图；图4A至4C为说明在本发明中施加给光纤的三种热能分布的略图；图5A和5B示意性地表示本发明中可以使用的光纤夹持装置的两个例子；图6A和6B示意性地表示本发明中可以所使用的电极部件的两个例子；图7A至7C为说明用于光纤熔接的相关技术方法的略图；以及图8A至8C为说明相关技术的TEC处理方法的略图。
最佳实施例的详细说明在本发明中，通过图7所示的普通电弧放电方法，对光纤带中具有不同模式场直径的多根光纤同时进行熔接。然后，使用电弧放电对光纤带的熔接部分附近进行加热，以校正由于熔接点处模式场直径的差别所导致的光纤带的间断或不匹配(下面将这种处理称作TEC处理)。
在光纤2本身没有被熔化，但加入芯区域中以增大折射率的掺杂剂热扩散到包层区域中的温度和时间条件下，进行这种加热。
我们参照图1说明第一实施例。图1A表示放电电极相对光纤的位置；图1B表示图1A所示配置的一种变型；图1C表示施加给放电电极的放电功率与光纤排列之间的关系。图1中所使用的数字与图8相同，从而省略其详细描述。
图1A和1B中表示出用于TEC处理的加热的施加方法。提供用来产生电弧放电的一对放电电极7，使它们与其中排列有光纤2的平面(水平的)垂直。放电电极7沿光纤排列方向相对光纤移动，使得同时对多根光纤2进行局部加热。图1A表示的情况是将以预定间隔排列的光纤2的位置固定，而移动对光纤2进行加热的放电电极7。图1B表示的情况是固定放电电极7的位置，而移动进行加热的光纤2。虽然没有表示出，不过放电电极7也可沿光纤2的轴向相对光纤2移动，使得在一预先确定的范围上对熔接部分4附近进行加热，以进行TEC处理。也可以通过移动放电电极7或者移动光纤2实现放电电极7沿光纤轴方向的移动。下面将描述用于移动光纤2和放电电极7的机制和其它特征。
在图1所示的第一实施例中，取决于光纤，通过改变放电功率而改变能量，以适当地实现TEC处理。
如图1C所示，将较强的放电功率施加给内部光纤2b，将较弱的放电功率施加给外部光纤2a。为了调节放电功率，改变放电电流或者放电电压，或者同时改变放电电流与放电电压。结果，与外部光纤2a相比，更多的热能被施加给了内部光纤2b。从而，用与熔接中所采用的分布相反的分布施加的热能实现加热。因此，考虑熔接和TEC处理，可以将大体均匀的热能分布施加给所包含的所有光纤。
图2表示第二实施例。图2A表示放电电极相对光纤的位置；图2B表示图2A所示配置的一种变型；图2C表示放电电极7的电极间隙与光纤排列之间的关系。图2中所使用的数字与图1中所使用的相同，从而省略对其的详细说明。
第二实施例中用于TEC处理的进行加热的方法，如同图1中所示的情形；设置一对放电电极7，使得它们垂直于其中排列有光纤2的平面(水平的)。放电电极7沿光纤排列方向相对光纤2移动，使得同时对多根光纤2进行局部加热。图2A表示的情况是固定以预定间隔排列的光纤2的位置，移动用来加热光纤2的放电电极7。图2B表示的情况是固定放电电极7的位置，移动光纤2来进行加热。
虽然没有表示出，不过放电电极7也可沿光纤2的轴向相对光纤移动，使得在一预定范围上对熔接部分附近进行加热，以实现TEC处理。这也与图1中所示的情形相同。
在第二实施例中，对于各根光纤，改变电极间隙或放电电极7之间的距离，从而改变用于实现TEC处理的热量。如图2C所示，对于内部光纤2b增大电极间隙，而对于外部光纤2a则减小电极间隙。如果放电电流不变，则通过增大电极间隙可以获得更高的放电电压，从而使放电能量增加，相当于图1所示的施加增大的放电功率的情形。结果，与外部光纤2a相比，更多的热能被施加给了内部光纤2b。用与熔接中所采用的分布相反的分布的热能实现加热。因此，考虑熔接和TEC处理，可以将大体均匀的热能分布施加给所包含的所有光纤。
图3表示第三实施例。具体说来，图3A表示放电电极7相对光纤的位置；图3B表示图3A所示配置的一种变型；图3C表示放电电极相对光纤的移动速度。图3中使用的数字与图1中所使用的相同，从而省略对其的详细描述。在第三实施例中用于TEC处理的进行加热的方法与图1中所示的情形相同；设置一对放电电极7，使得它们与其中排列有光纤2的平面(水平的)垂直。放电电极7沿光纤排列方向相对光纤2移动，从而同时对多根光纤2进行加热。
图3A表示的情况是固定以预定间隔排列的光纤2的位置，移动放电电极7。图3B表示的情况是固定放电电极7，移动光纤2。虽然没有示出，不过放电电极7也可沿光纤2的轴向相对光纤2移动，使得在预定范围上对熔接部分附近进行加热，以实现TEC处理，这也与图1中所示的情形相同。
在第三实施例中，对于各根光纤局部地改变放电电极7的移动速度，以施加改变的热量，实现TEC处理。如图3C所示，对于内部光纤2b减小移动速度，而对于外部光纤2a则增大移动速度。通过减小移动速度，可以增加加热时间和施加给光纤的热量，相当于图1所示的情形，通过增加放电功率而施加更多的热。结果，与外部光纤2a相比，更多的热能被施加给内部光纤2b。用与熔接中所采用的分布相反的分布施加的热能实现加热。因此，考虑熔接和TEC处理，可以将大体均匀的热能分布施加给所包含的所有光纤。
图4示意性地表示三个实施例中热能大小与热能所施加的光纤之间的关系。具体来说，图4A表示在熔接中所施加的热能分布；图4B表示进行TEC处理时用于加热的热能分布；图4C表示在熔接和用于TEC处理的加热过程中，所施加的总热能的分布。阴影区域相当于所施加的热能。如图4A所示，在熔接时，将较多的热能施加给外部光纤2a，将较少的能量施加给内部光纤2b。相反，如图4B所示，当实现用于TEC处理的加热时，将较少的热能量施加给外部光纤2a，将较多的热能施加给内部光纤2b。
结果，如图4C所示，考虑包括熔接和用于TEC处理的加热的整个过程，可以使施加给外部光纤2a的热能的总量几乎等于施加给内部光纤2b的热能的总量。
通过将大体均匀的热能施加给所包含的所有光纤2，可以消除熔接中的任何不均匀性，并且可以在所有的光纤上实现均匀的TEC处理。从而，可以实现连接损耗的均匀减小。术语“均匀”和“大体均匀”不是指完全相等，而是允许存在一定范围的变化。
图5示意性地表示出示例性光纤夹持装置。图5A表示适于沿轴向移动光纤，同时使光纤相对两侧的支架同步的配置。图5B表示图5A所述配置的一种变型。在图5A和5B中，数字10和10a为光纤夹持装置，11为光纤支架，12为支架驱动台，13为基座平台，14为驱动机构，15为基座平台驱动台，16为驱动机构，20为电极部件。其它数字与图1-4所使用的数字相同，从而省略对其的详细说明。
使用图5A和5B所示的光纤夹持装置10，10a，沿轴向在预定范围上对光纤2的熔接部分4附近进行加热。在图5A所示的配置中，固定放电电极7，而移动光纤2。利用V-型槽光纤支架11将被连接的光纤2固定在熔接部分4两侧的位置上。一对光纤支架11经由支架驱动台12设置在基座平台13上。通过驱动机构14，控制支架驱动台12沿光纤2的轴向运动。
图5A所示的光纤夹持装置10包括由相关的驱动机构14分别驱动的一对光纤支架11。通过控制部件(未示出)同步控制驱动机构14，进行驱动。
图5B所示的光纤夹持装置10a是图5A所示配置的一种变型。光纤夹持装置10a是这样一种光纤夹持装置，基座平台13设置在基座平台驱动台15上，以便是可移动的。这种结构得益于简单的控制机制，因为不必分别控制该对光纤支架11来进行驱动。另一方面，在这种结构中，部件的数量增加了，整个装置有些庞大。
在图5A和5B中，表示放电电极7是固定的。可以固定光纤2，而放电电极7适合于沿光纤2的轴向移动。在另一个实施例中，当在一步操作中对光纤的带1进行集中熔接时，光纤夹持装置10，10a可以用作光纤夹持装置。
在这种情况下，在光纤2熔接之后，可以立即对光纤2进行TEC处理而不必从夹持装置取下光纤。
图6A和6B示意性地表示电极部件的两个例子。具体来说，图6A表示其中放电电极间隙不变的配置。图6B表示放电电极间隙可变的配置。在图6A和6B中，数字20，20a指电极部件，21为电极底座，22为电极支撑柱，23为支撑柱驱动台，24为基座平台，25为驱动机构，26为电极支撑臂，27为电极驱动台，28为驱动机构，30为放电电路，31为控制部件，32为供电部件。其它数字与图1-4所使用的数字相同，从而省略对其的详细说明。
图6A中所示的电极部件20适用于图1和3中所示的加热实施例。电极部件20使操作期间放电电极7之间的间隙不变。不过，电极部件20配备有调节部件(未示出)，用于在操作过程中设置放电电极高度和间隙。该电极部分20如此构成，通过固定在从电极支撑柱22伸出的支撑臂22a上的相应的电极底座21来支撑一对放电电极7。利用设置在基底平台24上的支撑柱驱动台23，电极支撑柱22可沿光纤排列方向移动。利用包括直流驱动马达等的驱动机构25，驱动支撑柱驱动台23。通过来自具有预加载程序的控制部件31的控制信号来控制驱动机构25。
为了按图1A所示的方式使用，放电电极7与放电电路30相连接，逐步控制放电功率。放电电路30连接到控制部件31和供电部件32上。放电电路30调节每次放电电极7沿光纤排列方向移动时的放电功率。
用这种方法，可以改变施加给单个阵列的光纤带中各根光纤2的热能，如图1C所示。如图4B所示设置施加给每根光纤2的热能量。
为了用于图3A至3C所示的实施例中，放电电极7的放电功率保持不变。不过，每次放电电极7沿光纤排列方向移动时，它们的移动速度由控制部件31控制，以调节光纤带中各根光纤2经受放电的时间。可以改变放电电极7横向移动经过单个阵列中的各根光纤2时的移动速度，如图3C所示。用这种方法，可以改变施加给每根光纤的热能，再次如图4B所示设置施加给各根光纤2的热能量。
图6B中所示的电极部件20a适用于图2A至2C中所示的加热模式。电极部件20a使放电电极7之间的间隙可变。该电极部件20a被设计成将一对放电电极7通过电极底座21固定在相关的电极支撑臂26上。电极支撑臂26固定在垂直设置在电极支撑柱22上的电极驱动台27上；支撑柱驱动台27适合于利用驱动部件28，在垂直于其中排列有光纤的平面的方向单独移动，且驱动部件28包括一直流驱动马达等。
对于图6A所示的配置，利用设置在底座平台24上的支撑柱驱动台23，电极支撑柱22可沿光纤排列方向移动。利用包括直流驱动马达等的驱动机构25来驱动支撑柱驱动台23。通过来自具有预加载程序的控制部件31的控制信号来控制驱动机构25和28。
为了用于图2A至2C所示的实施例中，使用一恒定电流的电源32作为放电电路30，以向放电电极7供给恒定的电流，而放电电流7沿光纤排列方向以不变的速度移动。不过如图2C所示，每次放电电极沿光纤排列方向移动时，放电电极7之间的间隙改变。如果电极之间的放电电流不变，则放电功率随着电极间隙而改变，从而放电电压改变。用这种方法，可以局部地改变施加给每根光纤的热能。再次如图4B所示设置施加给各根光纤的热能量。
上面图6的描述假设了一种类型的配置，其中放电电极7相对光纤2移动。如果如图6A所示光纤2相对放电电极7移动，则光纤夹持装置10，10a可以配备一用于沿光纤排列方向移动光纤2的每个阵列的机构。虽然前面的描述仅涉及沿光纤排列方向移动放电电极7的机构，但应该注意在沿光纤排列方向移动之后，放电电极7也沿光纤2的轴向相对移动，以便通过放电在预定范围上对它们的熔接部分附近进行加热。用与参考图5描述的光纤夹持装置10，10a中的驱动机构有关的操作，可实现放电电极7沿光纤轴向的移动。还应该注意，重复通过放电对光纤2的加热，直到将必需的热能大小施加给熔接部分4附近为止，以保证以基本均匀的方式实现该区域的TEC处理。
从前面的描述中显然可以看出，本发明确保具有同轴芯部分的光纤的熔接部分附近对于每根光纤被受控加热，并改变施加给各根光纤的热能的大小。当通过放电集中熔接光纤时，远离光纤阵列中心的光纤的熔接状态与接近中心的光纤的熔接状态不同。不过，根据本发明，可以通过包含放电加热的TEC处理来消除这种不均匀熔接。另外，可以使包括熔接过程中所施加的热量在内的热能的总量在所包含的所有光纤上基本上是均匀的；结果可以均匀地实现TEC处理。
权利要求
1.一种利用放电加热第一光纤带和第二光纤带的方法，该第一和第二光纤带分别具有多个彼此平行排列的光纤，该方法包括以下步骤a)利用放电熔接第一和第二光纤带的光纤；b)在与其中排列有光纤的平面垂直的方向设置至少一对放电电极；c)利用该对放电电极之间所产生的放电，加热第一和第二光纤带的光纤的熔接部分附近，该对放电电极沿光纤排列方向和光纤的轴向其中至少之一移动，使得与远离中心设置的光纤相比，将更多的热能施加给靠近光纤阵列的中心设置的光纤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中该光纤具有不同的模式场直径，并且其中在光纤本身没有被熔化，而加入光纤芯中的掺杂剂热扩散到光纤包层中的温度和时间条件下实现加热，从而校正熔接部分中模式场直径的差别。
3.根据权利要求1所述的方法，其中根据光纤的位置，通过改变放电的功率来控制施加给光纤的热能。
4.根据权利要求1所述的方法，其中根据光纤的位置，通过改变放电电极之间的间隙来控制施加给光纤的热能。
5.根据权利要求1所述的方法，其中根据光纤的位置，通过改变放电电极移动的速度来控制施加给光纤的热能。
6.根据权利要求3到5中任一权利要求所述的方法，其中对于每根光纤，在熔接和加热步骤中通过放电施加给光纤的总热能基本上是均匀的。
7.一种用于在光纤熔接之后通过放电对光纤的熔接部分附近进行加热的装置，该装置包括沿垂直于其中排列有光纤的平面的方向设置的至少一对放电电极；一移动机构，用于沿光纤排列方向和光纤的轴向其中至少之一，对放电电极和光纤其中至少之一进行移动；以及一控制部件，用于以这样一种方式控制施加给光纤的热能，使得与远离中心设置的光纤相比，将更多的热能施加给靠近光纤阵列的中心设置的光纤。
8.根据权利要求7所述的装置，其中该移动机构相对光纤移动放电电极。
9.根据权利要求7所述的装置，其中该移动机构相对放电电极移动光纤。
全文摘要
一种通过放电加热光纤的方法，包括熔接光纤，然后通过放电对光纤的熔接部分附近施加加热。沿与其中排列有光纤的平面垂直的方向设置放电电极。利用放电电极通过放电对熔接部分附近进行加热。不仅沿光纤排列方向移动放电电极，而且沿光纤的轴向移动放电电极，使得与远离中心设置的光纤相比，将更多的热能施加给靠近光纤阵列的中心设置的光纤。
文档编号H05B7/00GK1405588SQ02143138
公开日2003年3月26日 申请日期2002年9月13日 优先权日2001年9月13日
发明者山田英一郎, 斋藤和人, 田村充章 申请人:住友电气工业株式会社