专利名称：具有失配模场直径的光纤的熔接的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信系统。具体而非限制地，本发明涉及接合高稀土掺杂(HRED)光纤与具有大模场直径(MFD)失配的相异光纤的方法和设备。
背景技术：
近年来，已经研制出更多数目的HRED光纤以用于光通信系统的专门应用。这些例子包括掺铒光纤放大器(EDFA)，放大式自发辐射(ASE)光源，光纤激光器等。HRED光纤主要是由于其用极短长度的光纤就能够获得优异的性能而非常有吸引力。举例来说，通过使用在工作波长处以40dB/m的峰值吸收为特性的高掺铒光纤(EDF)，可以将所需的光纤长度减少5-10倍，还能实现传统光纤获得的相同性能。EDF具有高功率密度输出，宽而平坦的增益分布，以及低非线性效应。因而，HRED光纤使得能够开发更紧凑和更经济合算的通信系统。
采用HRED光纤面临的主要阻碍是在与相异光纤接合时产生的高接合损耗。HRED光纤其高接合损耗产生的主要原因是由于初始的MFD失配。因为系统设计中存在的普遍需求，HRED光纤经常被熔接在MFD有显著差别但又没有稀土掺杂物的相异光纤上。这类光纤的典型例子是康宁(Corning)SMF28TM，其MFD大约是HRED光纤的两倍。
过去，已经提出和研制出多种方法来降低熔接过程中的MFD失配。这些方法主要包括在具有相对较小MFD的光纤(例如EDF)的对接部实施额外的热处理。为制作光纤部件而研制的热处理的原理通常称作“热扩散扩展芯(TEC)光纤(Thermlly-diffused Expanded Core(TEC))”(参看K.Shigihara等人；J.Appl.Phys.，第60卷，第4293页，1986；和K.Shiraishi等人；J.LightwaveTechnol.，第8卷，第1151页，1990)。
接合相异光纤的TEC方法披露在美国专利公开US2002/0197027中。在熔接两种光纤之后，立即对接合点重新定位，以使额外的放电可以施加到具有相对小MFD的光纤的对接部分上。采用TEC技术的类似方法还披露在美国专利公开US2002/0157424和US2002/0176673中。这些方法利用下列过程接合两种光纤的端面，而不是移动接合的光纤；通过将加热单元(即电极)移动到接合光纤的对接部上或者在安装于光纤对接部附近的加热板的辅助下通过不对称地加热接合点，进行额外的热处理。
本申请人研究发现，采用TEC技术的先前方法对没有稀土掺杂物和/或具有低掺杂浓度的光纤可以有效地起作用，而对HRED光纤并不有效。已经发现，对于HRED光纤，除初始MFD失配的问题之外，高接合损耗产生的主要原因还归因于熔接过程中出现的芯部掺杂物的快速扩散。如果两种光纤初始的MFD失配相对较小的话，那么这两种光纤的MFD匹配可以在用来形成普通接合的主熔融过程的恰好开始时得以实现。因此，先前方法中采用的这种额外热处理并不能获得MFD匹配，相反，可能导致反向的MFD失配(即通常具有较小MFD的HRED光纤却获得了远远大于所连接光纤MFD的有效MFD)。因此，在光从HRED光纤注入的情形下，包层模很容易被激发，而且经常会出现高达0.2-0.5dB的接合损耗。
在TEC过程中观察到的另一个问题是在一系列接合中出现的不一致的接合损耗结果。这一问题主要是由通常所说的“电弧移动(arc-walk)”现象产生的。电弧移动指的是电弧中心位置从一次电弧放电到下一次电弧放电时的改变，这主要是由电极上沉积粒子/层的动态变化引起的。“电弧移动”显著地改变了光纤对接部中热分布的相对位置，这进而又改变了接合损耗。
电弧移动的问题可以用国际专利申请WO01/86331中披露的“电弧重定中心(arc-recentering)”方法来克服。使用这种方法，在熔接过程中拍摄暖图像(warm image)。对从光纤加热部分发出的热辐射以及气体放电进行评定，以确定电弧中心的位置。因而，光纤的对接部可以相对于电弧中心重新定位。这种方法依赖于在系列接合中所收集到的历史数据，因而该方法的精确度会随接合数目的减少而降低。因此，这种方法并不适合于光纤类型的组合频繁改变的应用。
一种确定电弧中心的改进方法披露在美国专利公开申请US2003/0002827中。使用这种方法，在还未将光纤定位在电弧放电区域时在电极之间产生初步的电弧放电。虽然这种方法可以用来估算电弧的位置，但是估算电弧位置的误差可能相当大，例如大到20μm。这种误差主要是由初步电弧放电自身引起的，因为初步的电弧放电随着电学清洁(electric cleaning)过程进行，这进而又改变了沉积在电极上的粒子的状态，从而引起另外的电弧移动，影响随后的熔接过程。另外，已经发现，与电弧放电的有效区域内插入和不插入光纤时的热分布相比，热分布的界限(confinement)也可能会被光纤上能量沉积引起的表面/固态等离子的激发改变。从而，这种方法的精度由于热分布的变化而可能继续下降。
因此，在本领域中需要研制出一种能够消除现有技术的这些缺陷的方法和设备，以便能够获得HRED光纤的低接合损耗。
发明内容
本发明提供一种在连接高稀土掺杂(HRED)光纤与具有很大模场直径(MFD)失配的相异光纤时用于获得低接合损耗的方法和设备。在预熔融过程期间拍摄暖图像。分析来自于空气放电和光纤的热光发射，并确定电弧中心的位置。通过考虑光传播的方向和MFD失配的程度，有意地将HRED光纤和相异光纤的端面定位为相对电弧中心具有相对较大的纵向偏移。然后，在主熔融过程期间用不同的熔融温度不对称地加热两种光纤的对接部。因此，可以控制由于HRED光纤纤芯内掺杂物的快速扩散而引起的HRED光纤的MFD扩展，而且用规定好的熔融电流和熔融时间获得MFD匹配。为了在一系列的接合中保持相同的偏移距离，用直接电弧重定中心过程精确地确定主熔融的电弧中心位置。因此，对于每次接合，都能够获得一致结果的接合损耗。为了稳定接合过程，实时地监控由电极状态和工作环境的变化引起的熔融温度的改变，并调用电弧校验过程来补偿熔融温度的很大改变。
因而，在一个方面，本发明涉及一种接合相异光纤的方法。该方法通过分析在低功率电弧的暖图像内俘获的热光发射，确定预熔融过程期间的电弧中心位置，该低功率电弧被用来从第一光纤的端面和第二相异光纤的端面清洁掉微粉尘颗粒，该第一光纤和第二光纤彼此邻近地纵向定位。该方法还包括以下步骤确定距所述电弧中心位置的纵向偏移距离；对接所述两个端面；在距电弧中心位置的所述偏移距离处纵向定位所述两个对接端面；以及用中心在所述电弧中心位置的高功率电弧不对称地加热所述重新定位的对接端面，由此熔合所述两种相异光纤。该方法还可以包括步骤实时地监控熔融温度的改变；和调用电弧校验过程来调节所述高功率电弧，以补偿探测到的熔融温度的改变。
在另一方面，本发明涉及一种接合相异光纤的方法，包括以下步骤纵向定位第一光纤的端面与第二相异光纤的端面相邻，以在两个端面之间形成间隙，其中所述端面定位在接合器内，使得所述间隙的中心与接合器电极对准；用接合器电极产生的低功率电弧从两端面清洁掉微粉尘颗粒；在清洁步骤期间俘获所述两个端面以及所述间隙的暖图像；通过分析在所述暖图像内俘获的热光发射，确定预熔融电弧中心位置。该方法还包括步骤基于光传播的方向以及所述相异光纤之间模场直径(MFD)失配的程度确定距所述预熔融电弧中心位置的偏移距离；对接所述两个端面；借助相对于所述预熔融电弧中心位置的偏移距离，纵向地重新定位所述两个对接的端面；以及用接合器电极产生的高功率电弧不对称地加热所述重新定位的对接端面，由此接合所述两个相异光纤。
在又一个方面，本发明涉及一种接合相异光纤的设备。该设备包括用于在接合器内将第一光纤的端面与第二相异光纤的端面彼此邻近地纵向定位的装置；用于向所述邻近的端面施加低功率电弧以从两个光纤端面清洁掉微粉尘颗粒的装置；照相机，用于在所述清洁微粉尘颗粒期间俘获从低功率电弧和光纤发出的热光发射的暖图像；用于通过分析在所述暖图像内俘获的热光发射确定预熔融电弧中心位置的装置。该设备还包括用于确定距所述预熔融电弧中心位置的纵向偏移距离的装置；用于在距所述预熔融电弧中心位置的偏移距离处对接所述两个端面并纵向定位所述两个对接端面的装置；以及用于用中心在所述电弧中心位置处的高功率电弧不对称地加热所述重新定位的对接端面、并由此熔合所述两个相异光纤的装置。
在下面部分中，将参看附图示出的例举性实施例说明本发明，在附图中图1A-1D示出依照本发明的第一个实施例、偏移接合HRED光纤和非稀土掺杂(NRED)光纤的过程；图2A-2D示出依照本发明的第二个实施例、偏移接合HRED光纤和NRED光纤的过程；图3是在预熔融过程期间拍摄的两种光纤的暖图像的复制图；图4是在主熔融过程期间拍摄的两种光纤的暖图像的复制图；图5是示出依照本发明教导的、偏移接合过程各个步骤的流程图。
具体实施例方式
依照本发明的教导，提供一种改进的方法，用来在各种应用、连接所有类型的相异(dissimilar)光纤时减少接合损耗。在此处描述的例举实施例中，这种方法被用来连接HRED光纤和具有很大MFD失配的相异光纤。
本发明所要理解的第一个过程是偏移接合(offset splicing)过程。当用电弧加热光纤时，熔融区中心的温度可能超过2000℃。在这样的高温下，热量从包层有效地传递到纤芯，即使二氧化硅基光纤的导热性相当差。当光纤内部的温度达到二氧化硅的熔融点(即1800℃)时，纤芯内稀土掺杂物的迁移率随温度的增长迅速增加。掺杂物从纤芯到包层的快速扩散在非常短的时间内(例如，小于0.3秒)发生。扩散的结果，形成较大横截面的有效MFD，而且有效MFD随熔融时间的增加继续扩展。对于不同类型的HRED光纤，实现MFD匹配的熔融时间可能显著不同，这主要取决于光纤纤芯内掺杂物的浓度，初始的MFD失配，以及主熔融过程中所用的熔融参数，例如熔融电流等。
与HRED光纤相比，非稀土掺杂(NRED)光纤(例如康宁公司的SMF28TM，PureModeTMHI1060等)的掺杂物扩散相当弱。显著增大MFD(例如增大30％左右)需要的时间可能需要长达几分钟的时间。因为HRED与NRED光纤在扩散时间尺度上的显著差异，因此HRED光纤其纤芯内的扩散过程就决定了在主熔融过程中获得最终MFD匹配所要的熔融时间。
在熔接相异类型的光纤时，接合损耗主要取决于光传播的方向。接合损耗的这种方向依赖现象可由采用传播光束法的转换损耗理论加以解释(参看K.Shiraishi等人的J.Lightwave Technol.，第11卷，第1584页，1993)。根据该理论，如果传播的光波的相位波前在光波穿过接合点之后没有完全保持的话，接合损耗的方向依赖性是不能忽略的。在本申请人的试验中，发现两种情形，即大范围的热量加热(例如大于5mm)和两种光纤的较大MFD扩展(例如扩展约2倍)可以提供传播到接合点处的波保持相位波前的基本状况。然而，不幸的是，市场上商业可用的接合器仅能够实施短范围的热量加热，通常为200-300μm。在这种短范围热量加热时，很难保持传播波的相位波前，而且当光穿过接合点时通常会激发包层模。结果，出现很高的接合损耗。
本申请人的试验也表明，接合损耗主要取决于HRED光纤纤芯内MFD扩展的程度，以及光纤对接部处MFD的剖面。最低的接合损耗通常在称作“MFD准匹配”的状态下获得。这种“MFD准匹配”的状态是指(1)若光从HRED光纤侧注入，则当HRED光纤的最终MFD相对NRED光纤的MFD较小时，获得最低的接合损耗；和(2)若光从NRED光纤侧注入，则与NRED光纤的MFD相比，在HRED光纤的对接部处需要相对较大和锥形形状的MFD剖面。
为了在接合相异类型的光纤时获得这种“MFD准匹配”状态，提出一种采用纵向偏移接合的过程。纵向偏移接合的基本思想是在熔融过程中用不同的熔融温度不对称地加热相异光纤的对接部。为了涵盖光通信系统的各种应用，在规定好光纤组合和光传播方向时，确定四种典型的情形。这四种情形是情形1光从HRED光纤注入，两种光纤的初始MFD失配相对较小。典型的例子有Liekki LF2400TM(HRED光纤，峰值吸收约为40dB/m，相应的MFD约为6μm@1550nm)和Corning PuremodeTMHI1060(NRED光纤，MFD约为8.5μm@1550nm)的光纤组合。这种组合提供约2.5μm的初始MFD失配。
情形2光从NRED光纤注入，两种光纤的初始MFD失配相对较小。一个典型的例子是与情形1描述相同的光纤组合。
情形3光从HRED光纤注入，两种光纤的初始MFD失配相对较大。一个典型的例子是Liekki LF2400TM和Corning SMF28TM(MFD约为10.5μm@1550nm的NRED光纤)的光纤组合。这种组合提供约4.5μm的初始MFD失配。
情形4光从NRED光纤注入，两种光纤的初始MFD失配相对较大。一个典型的例子是与情形3描述相同的光纤组合。
为了理解偏移接合的过程，将情形1作为一个例子进行研究。在情形1中，光从HRED LF2400TM光纤注入。根据“MFD准匹配”理论，LF2400TM光纤的最终MFD扩展应当等于或者小于LF2400TM光纤与NRED PuremodeTMHI1060光纤之间的初始MFD差(即≤2.5μm)。为了用标准的熔融过程扩展LF2400TM光纤的MFD以获得“MFD准匹配”，本申请人已经发现，必须采用非常短的熔融时间，约为0.5秒。然而，在这样短的时间内，经常出现强度很低这样差质量的接合。这是因为在给定的熔融时间内光纤对接部分还未得到完全的液化。因而，为了获得高质量的接合，必须显著增加熔融时间。
在偏移接合时，HRED LF2400TM光纤的对接部定位在相对于电弧中心40μm这样大的偏移距离处。从而，LF2400TM光纤的对接部可以以相对低的熔融温度进行加热。由此，聚集足以激发光纤内固态等离子的能量所需的时间显著增加，这进而又显著延缓了熔融过程。本申请人已经发现，大约2-3秒的熔融时间是合适的。熔融时间的显著增加使得优化诸如偏移距离、熔融电流、熔融时间、重叠距离等熔融参数成为可能。因此，在优化之后，就可以获得很低的接合损耗。
图1A-1D示出依照本发明第一个实施例偏移接合HRED光纤与NRED光纤的过程。特别地，这些附图示出的是偏移接合Liekki LF2400TM光纤11和CorningPuremodeTMHI1060光纤12这种光纤组合的过程。在将光纤放入接合器内之后，对光纤进行冷图像(cold-image)拍摄，确定光纤端面的相对位置。这例如可以利用接合器中内置的数字成像系统来完成。如图1A所示，通过规定好的间隙距离13彼此靠近地移动光纤的端面。该间隙距离设为等于电弧放电有效区域的半宽，典型地为100-150μm。在光纤移动期间，该间隙的中心要与电极(未示出)横向对准，电极沿着垂直黑线定位在间隙的中心。
在图1B中，施加短电弧放电14进行预熔融过程。预熔融过程的目的在于去除光纤制备之后残留在光纤表面上的微粉尘颗粒。在预熔融过程中必须采用低熔融电流Ipre和短熔融时间tpre。Ipre和tpre应当被设定使得微粉尘颗粒能够被有效地去除，但是能够防止LF2400TM光纤11内的快速扩散。示例性的设定是Ipre≤7mA，tpre≤0.2秒。在预熔融过程期间，拍摄暖图像来提取电弧分布信息，特别是电弧中心位置15处的。利用数字成像分析技术，精确地确定出电弧中心的相对位置，并导出“电弧移动”的距离16。
在图1C中，利用电弧分布信息沿纵向重新定位光纤的端面，以便相对于电弧中心产生大的偏移17。偏移距离这样设定，即使得HRED LF2400TM光纤11定位在电弧分布区域的相对低温度范围内。这里，由对接部中心与电弧分布中心之间的相对距离确定偏移距离。然后，在图1D中，进行标准的熔融过程，获得偏移接合18。
图2A-2D示出依照本发明第二个实施例偏移接合HRED光纤与NRED光纤的过程。特别地，这些附图示出的是偏移接合情形4那种光纤组合的过程，即NRED Corning SMF28TM光纤21与HRED Liekki LF2400TM光纤11。在情形4中，光从SMF28TM光纤注入，如图2A所示。在将光纤放入接合器内之后，对光纤拍摄冷图像，确定光纤端面的相对位置。这例如可以通过利用接合器中的内置数字成像系统来完成。如图2A所示，通过规定好的间隙距离13彼此靠近地移动光纤端面。该间隙距离设定为等于电弧放电有效区域的半宽，典型地为100-150μm。在光纤移动期间，间隙的中心要与电极(未示出)横向对准，电极沿着垂直黑线定位在间隙的中心。
在图2B中，施加短电弧放电14进行预熔融过程。类似于上述情形1，预熔融过程的目的在于去除光纤制备之后残留在光纤表面上的微灰尘颗粒。
为了获得“MFD准匹配”，HRED Liekki LF2400TM光纤所需的MFD扩展应当等于或大于两种光纤之间MFD的初始差(即≥4.5μm)，而且LF2400TM光纤在对接部处的MFD的形状应当成锥形。在图2C中，LF2400TM光纤对接部的纵向偏移设定为情形1的相反方向，从而使得LF2400TM光纤的对接部在电弧分布区域的相对较高温度范围内被有意地加热。实际上，LF2400TM光纤内出现的掺杂物快速扩散这种独特现象被用来加速MFD的扩展，以便在标准熔融过程所用的时间窗(例如2-3秒)内获得“MFD准匹配”这种状态。然后，在图2D中，进行标准的熔融过程，获得偏移接合18。
设定相对于电弧中心的偏移的方向主要通过光注入的方向来确定。偏移的最佳距离应当在考虑初始MFD失配和HRED光纤纤芯内扩散速度的基础上通过实验确定。例如，在情形1和情形2中，采用40μm的偏移距离来实现这种特定光纤组合的最低接合损耗。对于情形3，采用20μm这个不同的偏移距离来获得最低的接合损耗，而对于情形4，采用40μm的偏移距离。
用于理解本发明的另一个过程是直接电弧重定中心(direct arcrecentering)过程。当向电极施加高电压时，电极之间势能和动能的巨大差别会引起沉积在电极上松散结合(loose-banded)的粒子和/或层产生喷射(ejection)。另一方面，在电弧放电的有效区域内，超过1800℃的高熔融温度会蒸发掉一些材料，这些材料主要来自于光纤的二氧化硅颗粒。当电弧放电切断时，这些材料就凝结并沉积在电极上。这种电极上颗粒沉积的动态变化最终导致“电弧移动”。电弧移动改变了一次电弧放电到下一次电弧放电时的电弧中心位置。在各种熔融过程中，经常出现长达10-30μm的电弧移动距离。
电弧放电的纵向剖面可以用高斯分布表示。由于高斯分布的剖面在其中心附近相当平，因此相对小的电弧移动(例如，在相对于电极+/-20μm的范围内)通常引起熔融温度很小的变化，典型地＜15％。对于标准的熔融过程，接合点定位在电极中心处。从而，由于熔融温度很小的变化，接合损耗不会受到相对较小电弧移动距离的强烈影响。然而，对于偏移接合，该过程高度敏感于电弧移动，尤其在接合HRED光纤时。这是因为在偏移接合的情形中，接合点定位在远离电极中心的位置处。实际上，接合点设在高斯分布的陡斜率范围内。因而，20-30μm的电弧移动距离很容易导致熔融温度30-50％的改变，而这经常能够引起接合损耗一个数量级的变化。因此，为了在一系列的接合中保持最佳的熔融温度，就必须精确确定电弧中心的位置，以便将电弧中心与接合点之间的相对距离设定为相同的值。为了达到这一目标，本发明采用“直接电弧重定中心”过程。
当电弧开启时，熔融区内残留空气中的等离子被激发，产生高温。在该高温下，光纤内的固态等离子也被激发。作为等离子激发的结果，不仅残留空气而且光纤都由于热辐射而发出光。该光可以被接合器成像系统内包含的电荷耦合器件(CCD)照相机观察到。由于从残留空气和光纤发出的光的强度分布与电弧放电的强度分布直接相关，因此有关电弧空间移动的信息可以通过仔细分析发射光的强度分布导出。
在本申请人的试验中，已经发现，残留空气的等离子激发与光纤纤芯内固态等离子激发之间通常的时间延迟在0.3秒左右，而对光纤进行有效电学清洁所需的通常时间为0.2秒。因此，可以利用预熔融过程来检测电弧分布，而不会引起HRED光纤内掺杂物的扩散。
图3是在预熔融过程期间拍摄到的两种光纤31和32的暖图像的复制图。来自残留空气的光的强度分布由位于光纤之上的矩形区域33和位于光纤之下的矩形区域34提取出。其强度分布在纵向和横向上是高斯分布。为了精确地确定出电弧中心的位置，可以利用称作光强度分布“重心”的方法。若假定上部矩形区域可以用坐标{(x1，y1)，(x2，y1)，(x2，y2)，(x1，y2)}确定，则对于上部矩形区域，电弧分布的中心位置Xarc，up35可以由下式计算出来Xarc,up=∫y1y2∫x1x2xLup(x,y)dxdy∫y1y2∫x1x2Lup(x,y)dxdy---(1)]]>Lup(x，y)＝max[Lmin，L(x，y)-LBG](2)其中，L(x，y)是坐标(x，y)处的光强度；LBG是背景光的平均强度，其取决于成像系统的设置；Lmin是能够避免等式(1)中定义的积分发散的光强度的预定最小值。Lmin的值设定为正值，可以通过试验或者通过有根据的推测获得。
因而，对于上侧区域处的预熔融，电弧移动Δ(up，0)的初始距离可以由下式计算出Δ(up，0)＝Xarc，up-Xcenter(3)其中，Xcenter是电极的位置，由接合器的机械设计确定。若对于下部矩形区域，定义一个类似的函数Ldown(X，Y)＝max[Lmin，L(X，Y)-LBG]，则可以采用上述对上部矩形区域相同的步骤来计算下部矩形区域内电弧分布36的中心位置，电弧移动Δ(down，0)＝Xarc，down-Xcenter。因此，可以由下式估算出预熔融过程中初始的电弧移动距离Δ(arc-walk，0)Δ(arc-walk，0)＝1/2[Δ(up，0)+Δ(down，0)].(4)可以假定，在偏移接合过程中所用的偏移距离由Δ(offset)来定义，参考零位置由电极的位置(即Xcenter＝0)来定义。因此，用于定义主熔融过程中接合点的、位于两种光纤对接部之间的中心位置Xsplice可以设定为Xspliec＝Δ(arc-walk，0)+Δ(offset). (5)对于正常的接合过程，偏移距离通常设定为0(即，设定Δ(offset)＝0)。因此，在主熔融过程之前，将接合点重新定位，并与从预熔融过程导出的预测电弧中心对准(即，设定Xsplice＝Δ(arc-walk，0))。这个过程就是所谓的“直接电弧重定中心”过程。
尽管直接电弧重定中心过程在试验上已经证实对于消除电弧移动的影响以及对于保持光纤对接部处最佳的熔融温度都是非常有效的，但是直接电弧重定中心单独上并不能处理电极情况的很大变化。在主熔融过程期间很大且随机的电弧移动表明电极已经出现显著的磨损。因此，不仅需要探测预熔融过程中的电弧移动，而且还需要监控主熔融过程期间的电弧移动，优选是实时地。
图4是在主熔融过程期间拍摄到的两种光纤的暖图像的复制图。与图3的预熔融过程相比，在图4中空气放电发出光的强度被显著地抑制。这种变化是通过调节CCD照相机的设置有意进行的，用于一些专门的应用，例如提取有关纤芯的信息来估算损耗。在这种情形中，用于提取电弧移动信息的上部矩形区域41和下部矩形区域42被限定在光纤43的内部而不是如图3所示那样在光纤的外部。
为了在主熔融过程期间实时地监控电弧移动，以例如100ms的循环时间周期地拍摄暖图像。这些图像用参看图3说明的相同方法进行分析。假设作为时间函数的电弧移动变化可以用Δ(arc-walk，i)；i＝1，2...n表示，则电极状态的较大改变可以通过参考初始测量电弧移动引入电弧移动的预定阈值δth(例如δth＝30μm)来定义。也即δl＝|Δ(arc-walk，i)-Δ(arc-walk，0)|≥δth(6)其中，δ1是电弧移动距离的相对变化量。在控制过程中，若满足等式6表示的条件，则给出报警信号，从而终止主熔融过程。另外，调用称作“电弧校验过程”的处理，补偿这些变化并恢复最优的熔融温度。
已经知道，接合器内的熔融温度会由于工作环境的显著变化(例如，高度(A)，外部温度(T)，湿度(H)等的变化)而改变。即使在规定好的工作环境中，熔融温度仍旧可能因为电极状态的变化(例如，电极的磨损以及/或者沉积在电极上的二氧化硅层的动态变化)而发生改变。另外，即使对于相同设置的熔融参数如熔融电流和熔融时间，接合器制作过程中有限的容差也可能引起相同类型的接合器不同的熔融温度。作为在特定的接合器和/或在相同类型的几个接合器内熔融温度改变的结果，就会得到例如由接合损耗、接合强度以及损耗估算所确定的不一致的接合效果。
本发明利用电弧校验过程连同偏移接合过程来克服熔融温度改变的问题并恢复各种熔融过程中最佳的熔融温度。这也使本发明能够稳定地获得低接合损耗。电弧校验过程是在向电极供给熔融电流以产生用于加热接合光纤的电弧的光纤接合设备内，用来校准熔融温度的方法。熔融电流根据实施校准时外部的温度、湿度以及高度进行补偿。当用电弧加热光纤时，熔融区中心的温度超过2000℃。在这样的高温下，熔融区内的光纤被液化。由于液体的粘度随温度的增加而减小，因此在熔融区内生成粘度分布的温度依赖，从而在包层附近以及/或者在光纤内部形成切向力。结果，在延长的熔融时间期间，位于电弧中心处的包层的直径减小。基于对定位在电弧中心处的暖光纤的包层直径的减小的实时检测，确定熔融温度。确定的熔融温度被用来计算替换各种接合过程中期望熔融电流值所需的新电流。
为了保持最佳的熔融温度，除等式(6)给出的准则即δi≥δth外，在偏移接合过程中还采用另外的准则来调用电弧校验过程。它们是ΔT＝|Tj+1-Tj|≥Tth；Tj+1and Tj∈{Tmin，Tmax}(7)ΔH＝|Hj+1-Hj|≥Hth；Hj+1and Hj∈{Hmin，Hmax}(8)ΔA＝|Aj+1-Aj|≥Ath；Aj+1and Aj∈{Amin，Amax} (9)j＝0，1，2，....m其中ΔT，ΔH和ΔA分别是外部温度，湿度和高度的显著变化量。这些变化量是通过比较当前接合的测量值与前次接合的测量值得出的。这些测量值可以用接合器中内置的传感器获得。Tth，Hth和Ath分别是温度，湿度和高度的阈值，典型的值为10℃，20％RH和200米。Tmin，Tmax，Hmin，Hmax，Amin和Amax定义接合器的工作范围。接合器的序号用j表示。
在考虑由于高度的补偿时，例如，基于在接合器中内置高度计的辅助下测得的高度，采用下式(10)来调节熔融电流Ij*=h1Ij+(h2H+h3Ij+h4)2+h5---(10)]]>其中H是高度，Ij(j＝1，2...)是补偿前的熔融电流，I*j(j＝1，2...)是校准过程中所用的补偿电流，hk(k＝1，2...5)是拟合参数。在设定完电弧中心的初始位置之后，相对于电弧中心重新定位光纤末端。然后，用主熔融电流开启电弧，加热两种光纤的对接点，并将它们连接在一起，形成接合。测量暖光纤的初始包层直径，并用靶电流(Ic，1)替代主熔融电流。
然后，估算总的加热时间(tc，1)，开始校准过程。用下列的指数衰减函数估算加热时间t＝c1e-c2I (11)
其中c1和c2是拟合常数。借助于等式(11)，校准由工作环境、电极状态以及机械容差的变化引起的熔融温度的改变。用靶电流(Ic，1)连续加热对接点，并测量暖光纤包层直径的减小，直到其直径达到预定阈值为止。随后，停止电弧，计算出校准过程所用的总熔融时间(t2)。然后，用等式(11)导出相应的电流(Ic，2)。
然后，计算出补偿所需的熔融电流量(ΔIc＝Ic，1-Ic，2)以及校正因子δi，该校正因子用来补偿在校准过程中用的靶电流与在各种接合过程中用的电流之间的电流差。校正因子可以用下式计算出δi＝1-0.5(Ic，1-Ii)/Ic，1(12)接着，用下式计算出用于替换在各种接合过程中期望的熔融电流值所需的新电流INEW,i=Ij*+δiΔIc.---(13)]]>有关校准熔融温度的电弧校验过程的其它说明可以参见本申请人共同拥有的国际PCT申请公开WO03/096088。
图5是示出依照本发明教导的偏移接合过程的各个步骤的流程图。这个过程开始于步骤51，在步骤52，确定(1)外部温度的变化(ΔT)是否大于或者等于温度的阈值(Tth)，和/或(2)外部湿度的变化(ΔH)是否大于或者等于湿度的阈值(Hth)，以及/或者(3)外部高度的变化(ΔA)是否大于或者等于高度的阈值(Ath)。如果这些条件中的任一个得以满足，则过程移动到步骤53，在步骤53，给出警报，并停止主熔融过程，而且调用电弧校验过程。然而，如果这些条件在步骤52处都没有得到满足，则过程移动到步骤54，在步骤54，对光纤端面拍摄冷图像，并计算端面之间的距离。
在步骤55，以规定的间隙定位光纤的端面，并将间隙的中心与电极对准。在步骤56，开始预熔融过程，并探测初始电弧移动距离Δ(arc-walk，0)。在步骤57，得到偏移距离的值Δ(offset)，用Xsplice重新定位光纤的端面，并开始主熔融过程。在步骤58，对光纤的端面拍摄暖图像，计算出电弧移动距离Δ(arc-walk，i)。
在步骤59，确定电弧移动距离的相对变化量(δt)是否大于或者等于电弧移动的预定阈值(δth)。如果是，该过程移动的步骤53，在步骤53处给出警报，并停止主熔融过程，而且调用电弧校验过程。然而，如果电弧移动距离的相对变化量(δt)小于电弧移动的预定阈值(δth)，则该过程移动到步骤60，在步骤60处确定主熔融过程是否完成。如果没有，则该过程返回到步骤58，并重复步骤58-60，直到主熔融过程完成为止。此时，该过程结束在步骤61。
如本领域的技术人员将会认识的，本申请描述的创新概念可以在更宽的应用范围内进行改进和改变。因此，本专利主题的范围不应当限于上述任何的具体示例性教导，而应当由所附权利要求书限定。
权利要求
1.一种接合相异光纤的方法，包括邻近于第二相异光纤的端面纵向定位第一光纤的端面，以在两个端面之间形成间隙，其中所述端面定位在接合器内，使得所述间隙的中心与接合器电极对准；用接合器电极产生的低功率电弧从两端面清洁掉微粉尘颗粒；在清洁步骤期间俘获所述两个端面以及所述间隙的暖图像；通过分析在所述暖图像内俘获的热光发射，确定预熔融电弧中心位置；基于光传播的方向以及所述相异光纤之间模场直径(MFD)失配的程度来确定距所述预熔融电弧中心位置的偏移距离；对接所述两个端面；通过相对于所述预熔融电弧中心位置的偏移距离，纵向地重新定位所述两个对接的端面；用接合器电极产生的高功率电弧不对称地加热所述重新定位的对接端面，由此熔接所述两个相异光纤。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一光纤是高稀土掺杂(HRED)光纤，所述第二光纤是具有与所述HRED光纤的很大模场直径(MFD)失配的非稀土掺杂(NRED)光纤。
3.如权利要求2所述的方法，其中，光传播的方向是从HRED光纤到NRED光纤，而且用所述偏移距离纵向重新定位所述两个对接端面的步骤包括在HRED光纤的方向纵向重新定位所述两个对接端面，以便在进行所述不对称加热步骤时在所述HRED光纤内产生较低的熔融温度。
4.如权利要求2所述的方法，其中，光传播的方向是从NRED光纤到HRED光纤，而且用所述偏移距离纵向重新定位所述两个对接端面的步骤包括在NRED光纤的方向纵向重新定位所述两个对接端面，以便在进行所述不对称加热步骤时在所述NRED光纤内产生较低的熔融温度。
5.如权利要求1所述的方法，其中，进行多次接合，而且在所述多次接合中，对于每次接合都重复所述方法，以便对于每次接合都计算新的偏移距离。
6.如权利要求5所述的方法，还包括在所述不对称加热步骤期间俘获所述两个对接端面的暖图像；和通过分析所述暖图像内俘获的热光发射确定主熔融电弧中心位置。
7.如权利要求6所述的方法，其中，在所述不对称加热步骤期间俘获所述两个对接端面的暖图像的步骤包括在所述不对称加热步骤期间，通过周期地俘获暖图像来俘获多个暖图像。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述周期地俘获暖图像的步骤包括在所述不对称加热步骤期间大约每隔100ms俘获一次暖图像。
9.如权利要求8所述的方法，还包括对于在所述不对称加热步骤期间俘获的多个暖图像的每一个，确定主熔融电弧中心位置；对于所述确定的主熔融电弧中心位置的每一个，确定所述主熔融电弧中心位置与所述预熔融电弧中心位置之间的差；用一个差阈比较所述每个确定的电弧中心差；以及若确定的电弧中心差超过所述差阈，则停止所述不对称加热步骤。
10.如权利要求9所述的方法，还包括调用电弧校验过程来补偿熔融温度很大的改变。
11.如权利要求6所述的方法，其中，所述通过分析暖图像内俘获的热光发射确定主熔融电弧中心位置的步骤包括在所述光纤的上部内定义上部矩形区域，所述上部矩形区域横跨所述接合并在每个所述光纤的一部分之上纵向延伸，所述上部矩形区域由坐标{(x1，y1)，(x2，y1)，(x2，y2)，(x1，y2)}来定义；利用所述暖图像分析所述上部矩形区域内的光强度分布，所述分析步骤包括利用下式计算出上部电弧中心位置Xarc，upXarc,up=∫y1y2∫x1x2xLup(x,y)dxdy∫y1y2∫x1x2Lup(x,y)dxdy---(1)]]>和Lup(x，y)＝max[Lmin，L(x，y)-LBG] (2)其中，L(x，y)是坐标(x，y)处的光强度；LBG是背景光的平均强度，其取决于成像系统的设置；Lmin是能够避免等式(1)中定义的积分发散的光强度的预定最小值；以及对于所述光纤下部内的下部矩形区域，重复所述定义和分析步骤，所述下部矩形区域横跨所述接合并在所述每个光纤的一部分之上纵向延伸，由此计算出下部电弧中心位置Xarc，down。
12.如权利要求11所述的方法，还包括利用下式确定所述上部矩形区域内的电弧移动距离Δ(up，0)Δ(up，0)＝Xarc，up-Xcenter其中，Xcenter是与所述电极对准的位置；利用下式确定所述下部矩形区域内的电弧移动距离Δ(down，0)Δ(down，0)＝Xarc，down-Xcenter以及利用下式计算出初始平均电弧移动距离Δ(acr-walk，0)Δ(arc-walk，0)＝1/2[Δ(up，0)+Δ(down，0)]。
13.如权利要求1所述的方法，其中，所述通过分析暖图像内俘获的热光发射确定预熔融电弧中心位置的步骤包括在所述光纤和所述间隙之上定义上部矩形区域，所述上部矩形区域横跨所述间隙并在每个所述光纤的一部分之上纵向延伸，所述上部矩形区域由坐标{(x1，y1)，(x2，y1)，(x2，y2)，(x1，y2)}定义；利用所述暖图像分析所述上部矩形区域内的光强度分布，所述分析步骤包括利用下式计算出上部电弧中心位置Xarc，upXarc,up=∫y1y2∫x1x2xLup(x,y)dxdy∫y1y2∫x1x2Lup(x,y)dxdy---(1)]]>和Lup(x，y)＝max[Lmin，L(x，y)-LBG] (2)其中，L(x，y)是坐标(x，y)处的光强度；LBG是背景光的平均强度，其取决于成像系统的设置；Lmin是能够避免等式(1)中定义的积分发散的光强度的预定最小值；以及对于位于所述光纤和所述间隙之下的下部矩形区域，重复所述定义和分析步骤，所述下部矩形区域横跨所述间隙并在所述每个光纤的所述部分之下纵向延伸，由此计算出下部电弧中心位置Xarc，down。
14.如权利要求13所述的方法，还包括利用下式确定所述上部矩形区域内的电弧移动距离Δ(up，0)Δ(up，0)＝Xarc，up-Xcenter其中，Xcenter是与所述电极对准的位置；利用下式确定所述下部矩形区域内的电弧移动距离Δ(down，0)Δ(down，0)＝Xarc，down-Xcenter以及利用下式计算出初始平均电弧移动距离Δ(acr-walk，0)Δ(arc-walk，0)＝1/2[Δ(up，0)+Δ(down，0)]。
15.一种接合相异光纤的方法，包括在预熔融过程期间，通过分析在低功率电弧的暖图像内俘获的热光发射确定电弧中心位置，所述低功率电弧被用来从第一光纤的端面和第二相异光纤的端面清洁掉微粉尘颗粒，其中所述两个端面彼此邻近地纵向定位；确定距所述电弧中心位置的纵向偏移距离；对接所述两个端面；在距电弧中心位置的所述偏移距离处纵向定位所述两个对接端面；以及用中心在所述电弧中心位置的高功率电弧不对称地加热所述重新定位的对接端面，由此熔接所述两种相异光纤。
16.如权利要求15所述的方法，其中，确定距所述电弧中心位置的纵向偏移距离的步骤包括基于光传播的方向和所述相异光纤之间模场直径(MFD)失配的程度确定纵向偏移距离。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述第一光纤是高稀土掺杂(HRED)光纤，所述第二光纤是具有与所述HRED光纤的很大模场直径(MFD)失配的非稀土掺杂(NRED)光纤。
18.如权利要求17所述的方法，其中，光传播的方向是从HRED光纤到NRED光纤，而且在所述偏移距离处纵向定位所述两个对接端面的步骤包括在HRED光纤的方向纵向重新定位所述两个对接端面，以便在进行所述不对称加热步骤时在所述HRED光纤内产生较低的熔融温度。
19.如权利要求15所述的方法，还包括实时地监控熔融温度的改变；和调用电弧校验过程来调节所述高功率电弧，以补偿探测到的熔融温度的改变。
20.一种接合相异光纤的设备，包括用于在接合器内将第一光纤的端面与第二相异光纤的端面彼此邻近地纵向定位的装置；用于向所述邻近的端面施加低功率电弧以从两个光纤端面清洁掉微粉尘颗粒的装置；照相机，用于在所述清洁微粉尘颗粒期间俘获从低功率电弧和光纤发出的热光发射的暖图像；用于通过分析在所述暖图像内俘获的热光发射确定预熔融电弧中心位置的装置；用于确定距所述预熔融电弧中心位置的纵向偏移距离的装置；用于对接所述两个端面并将所述两个对接端面纵向定位在距所述预熔融电弧中心位置的偏移距离处的装置；用于用中心在所述电弧中心位置处的高功率电弧不对称地加热所述重新定位的对接端面、并由此熔接所述两个相异光纤的装置。
21.如权利要求20所述的设备，其中，所述照相机还适合于在所述不对称加热步骤期间俘获所述两个对接端面的暖图像，所述用于确定预熔融电弧中心位置的装置还适合于通过分析在所述不对称加热期间俘获的热光发射确定主熔融电弧中心位置。
22.如权利要求21所述的设备，其中，所述照相机适合于在所述不对称加热步骤期间通过周期地俘获暖图像来俘获多个暖图像。
23.如权利要求22所述的设备，其中，所述照相机适合于在所述不对称加热步骤期间每大约100ms一次俘获暖图像。
24.如权利要求23所述的设备，还包括用于为在所述不对称加热步骤期间俘获的所述多个暖图像中的每一个确定主熔融电弧中心位置的装置；用于为所述确定的每个主熔融电弧中心位置确定主熔融电弧中心位置与预熔融电弧中心位置之间差的装置；用于将所述确定的每个电弧中心差与一个差阈比较的装置；用于在确定的电弧中心差超过所述差阈时停止所述不对称加热步骤的装置；用于调用电弧校验过程以补偿熔融温度的很大改变的装置。
25.如权利要求20所述的设备，还包括用于实时地监控主熔融温度改变的装置；和用于调节所述高功率电弧以补偿探测到的主熔融温度的改变的装置。
26.一种确定在接合器的上电极与下电极之间形成的电弧的电弧中心位置的方法，所述接合器被用来接合光纤，所述方法包括邻近于第二光纤的端面纵向定位第一光纤的端面，以在两个端面之间形成间隙，其中所述端面定位在接合器内，使得所述间隙的中心与接合器电极对准；用接合器电极产生的低功率电弧从两端面清洁掉微粉尘颗粒；在清洁步骤期间利用成像系统俘获所述间隙、所述两个光纤的端部、以及所述间隙和所述端部之上和之下区域的暖图像；定义所述光纤和所述间隙之上的上部矩形区域，所述上部矩形区域横跨所述间隙并在每个所述光纤的一部分之上纵向延伸，所述上部矩形区域由坐标{(x1，y1)，(x2，y1)，(x2，y2)，(x1，y2)}定义；利用所述暖图像分析所述上部矩形区域内的光强度分布，所述分析步骤包括利用下式计算出上部电弧中心位置Xarc，upXarc,up=∫y1y2∫x1x2xLup(x,y)dxdy∫y1y2∫x1x2Lup(x,y)dxdy---(1)]]>和Lup(x，y)＝max[Lmin，L(x，y)-LBG](2)其中，L(x，y)是坐标(x，y)处的光强度；LBG是背景光的平均强度，其取决于成像系统的设置；Lmin是能够避免等式(1)中定义的积分发散的光强度的预定最小值；以及对于位于所述光纤和所述间隙之下的下部矩形区域，重复所述定义和分析步骤，所述下部矩形区域横跨所述间隙并在所述每个光纤的所述部分之下纵向延伸，由此计算出下部电弧中心位置Xarc，down。
27.如权利要求26所述的方法，还包括利用下式确定所述上部矩形区域内的电弧移动距离Δ(up，0)Δ(up，0)＝Xarc，up-Xcenter其中，Xcenter是与所述电极对准的位置；利用下式确定所述下部矩形区域内的电弧移动距离Δ(down，0)Δ(down，0)＝Xarc，down-Xcenter以及利用下式计算出初始平均电弧移动距离Δ(acr-walk，0)Δ(arc-walk，0)＝1/2[Δ(up，0)+Δ(down，0)]。
全文摘要
本发明涉及一种在连接高稀土掺杂(HRED)光纤与具有很大模场直径(MFD)失配的相异光纤时用于获得低接合损耗的方法和设备。在预熔融过程期间拍摄暖图像以俘获热光发射并确定电弧中心位置。对接两种光纤的端面，并基于光传播的方向和MFD失配，从电弧中心纵向偏移光纤的端面。然后，在主熔融过程期间用不同的熔融温度不对称地加热光纤。从而用规定好的熔融电流和熔融时间获得MFD匹配。为了在一系列的接合中保持相同的偏移距离，用直接电弧重定中心过程确定主熔融的电弧中心位置。实时地监控由电极状态和工作环境的变化引起的熔融温度的改变，并调用电弧校验过程补偿熔融温度的很大改变。
文档编号G02B6/255GK1853124SQ200480026815
公开日2006年10月25日 申请日期2004年9月10日 优先权日2003年9月18日
发明者黄卫平 申请人:艾利森电话股份有限公司