多级光纤处理系统和方法

多级光纤处理系统和方法
【专利摘要】一种多级光纤处理系统，包括：第一光纤座（20）和第二光纤座（22），用于固定至少一个光纤（10）的各个部分；以及多个热源（HS1，HS2），布置在第一光纤座和第二光纤座之间并用于提供围绕至少一个光纤轴向延伸的热区域（50）。第一光纤座和第二光纤座可转移地彼此运离来成锥。多个热源包括两个三电极热源，围绕光纤的轴向传递延伸的基本等温的加热场。除了一个热源之外的所有热源可以被关闭来连结光纤。两个三电极热源可以产生9个电弧来形成该热区域，其中两个三电极热源之间的电弧可以围绕至少一个光纤旋转。
【专利说明】 多级光纤处理系统和方法
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请基于35USC119 Ce)要求2011年I月19日提交的美国临时专利申请61/434，060、名称为 MULT1-STAGE FIBER PROCESSING SYSTEM AND METHOD 的优先权。本申请可以与2010年I月15日提交的美国非临时专利申请序列号第12/688,489号有关，题目为 MULT1-ELECTRODE SYSTEM WITH VIBRATING ELECTRODES，其是于 2008 年 2 月 7 日提交的美国非临时专利申请第12/027，394号的部分继续申请，题目为Mult1-ElectrodeSystem，其基于USCl 19 (e)要求了 2007年10月2日提交的共同未决共同所有的美国临时专利申请第 60/976，859 号题目为 Mult1-Electrode System In A Vacuum、2007 年 8 月 3日提交的美国临时专利序列号60/953，803题目为Three-phase Arc for Fiber Splicingand Improved Fiber Stripping、以及2007年2月7日提交的美国临时专利申请序列号60/888，691 题目为 Three-Phase Arc for Large Diameter Fiber Splicing and ImprovedFiber Stripping的优先权,在此上述每个公开都全部通过引用结合于此。
[0003]本申请可以与2010年3月I日提交的美国非临时专利申请序列号第12/715,010号有关，题目为MULT1-ELECTRODE SYSTEM，其是于2008年2月7日提交的美国非临时专利申请第12/027，394号的继续申请，题目为Mult1-Electrode System，其基于USC119 (e)要求了 2007年10月2日提交的共同未决共同所有的美国临时专利申请第60/976，859号题目为Mult1-Electrode System In A Vacuum、2007年8月3日提交的美国临时专利申请序列号 60/953，803 题目为 Three-phase Arc for Fiber Splicing and Improved FiberStripping、以及2007年2月7日提交的美国临时专利申请序列号60/888，691题目为Three-Phase Arc for Large Diameter Fiber Splicing and Improved Fiber Stripping的优先权，在此上述每个公开都全部通过引用结合于此。
【技术领域】
[0004]本发明的概念涉及光纤领域，以及更具体地涉及处理光纤的系统和方法。
【背景技术】
[0005]在过去的十年，光纤激光领域的进步已经非常迅速。高效、大功率的泵浦激光二极管和泵浦组合装置的发展以及随之而来的光学匹配元件的日益普及已经使输出功率和辐射达到前所未见的水平。然而，用于制造这些装置的工具还没有跟上步伐。大功率光纤激光及其部件的组装还保持在熟练工种的水平上，需要冗长的手动处理，并且产量低。
[0006]由于涉及光功率等级，尤其是随着包层泵浦设计的发展，对于对准、切割质量、清洁度以及正确连结、成锥和扩散几何的要求比先前低功率应用时的最严苛的情况还要严格。对于125 μ m的电信剪接的切割角度规范通常允许与垂直方向偏差1°或更多，与可能要求光纤上〈0.25°的大功率连结相比，后者对于连结来说更具有挑战性。光损失0.ldB，对于电信掺铒光纤放大器(EDFA)来说可能是可接受的，在千瓦激光器中将耗散20W，导致连结的毁灭性失败。以及连结，组装处理可能需要各种成锥过程来产生组合器并建立场适应连结。这些锥必须具有正确的绝热芯几何，以及在一些情况下，表面受到污染，这可能导致破坏性的“热点”。
[0007]在二十世纪九十年代，多个制造商引入了光纤准备和熔接机器，从而能够大量生产用于电信热潮的EDFA。这些机器采用改变夹具的角度并自动大幅减少时间和技术来实现低损耗高强度的连结。然而，通过设计这样的工具被限制于相对较小的光纤，由于是250 μ m最大包层直径。这些开发之前，在光学显微镜下的手对准以及火焰热源是用于连结光纤的手段，就如同他们用于如今的激光应用的大直径光纤一样。
[0008]随着光纤激光器开始从研发发展至大规模生产，需要简化、改进和自动化他们组装所需的步骤，如同对电信应用所做的。新切割和热源技术，实施在已经设计好的工作站中，包括在制造高产量大功率激光器的可重复过程中向前迈出实质性的一步。灵活能力，包括多轴定位、宽场光学以及多应用控制软件使得连结、捆绑、成锥、切割以及端盖连接能够在同一机器上进行。然而，即使具有这样的优点，但是由于通常应用在光纤处理过程中的热源还是存在局限性，这导致自动化的进程不能实现。

【发明内容】

[0009]提供了使用多级热源以产生沿光纤或光纤束延伸的基本相同的热区域。多级可以联合操作来例如用于成锥或扩散、或独立操作来例如用于连结。即，仅一级可以保留来用于连结任务。
[0010]根据本发明的一个方面，提供了一种多级光纤处理系统，包括第一和第二光纤座，用于保持至少一个光纤的各个部分；以及多个热源，布置在第一和第二光纤座之间并用于提供围绕该至少一个光纤轴向延伸的热区域。
[0011]在根据本发明的一个方面的系统中，多个热源中的至少一个热源可以是多电极热源。
[0012]在根据本发明的一个方面的系统中，多个热源可以包括两个三电极热源。
[0013]在根据本发明的一个方面的系统中，至少一个三电极热源可以包括“Y”结构的三电极。
[0014]在根据本发明的一个方面的系统中，至少一个三电极热源可以包括“T”结构的三电极。
[0015]在根据本发明的一个方面的系统中，对于每个三电极热源，第一电弧可以形成在第一电极和第二电极之间，第二电弧可以形成在第二电极和第三电极之间，以及第三电弧可以形成在第三电极和第一电极之间。
[0016]在根据本发明的一个方面的系统中，其中两个三电极热源可以布置在22〃至24〃汞柱，200至150绝对托真空中。
[0017]在根据本发明的一个方面的系统中，两个三电极热源可以布置在温度不大于大约4000C的具有等离子的富氧部分真空中。
[0018]在根据本发明的一个方面的系统中，多个热源可以包括两个三电极热源，用于产生九个电弧，包括在两个三电极热源之间的3个电弧。
[0019]在根据本发明的一个方面的系统中，9个电弧中的每一个可以被单独控制。
[0020]在根据本发明的一个方面的系统中，该系统可以用于在顺时针方向上围绕该至少一个光纤的轴旋转两个三电极热源之间的三个电弧。
[0021]在根据本发明的一个方面的系统中，该系统可以用于在逆时针方向上围绕该至少一个光纤的轴旋转两个三电极热源之间的三个电弧。
[0022]在根据本发明的一个方面的系统中，该系统还包括不同变压器，用于驱动每个三电极热源的每个电极。
[0023]在根据本发明的一个方面的系统中，该系统还包括共用变压器，用于驱动每个三电极电源的至少一个电极。
[0024]在根据本发明的一个方面的系统中，热区域可以具有高达大约3000°C的温度。
[0025]在根据本发明的一个方面的系统中，热区域可以具有范围为Omm至IOmm的宽度。
[0026]在根据本发明的一个方面的系统中，热区域可以是大约3_。
[0027]在根据本发明的一个方面的系统中，第一光纤座和第二光纤座可转移地运离热区域。
[0028]在根据本发明的一个方面的系统中，热区域可以是基本均匀被加热的等离子场。
[0029]在根据本发明的一个方面的系统中，热区域可以是基本等温的。
[0030]在根据本发明的一个方面的系统中，至少一个光纤可以是光纤束。
[0031]在根据本发明的一个方面的系统中，至少一个光纤可以是400 μ m至600 μ m的大
直径光纤。
[0032]根据本发明的另一方面，提供了一种处理光纤的方法，包括:使用第一光纤座和第二光纤座保持至少一个光纤的各个部分；以及使用布置在第一光纤座和第二光纤座之间的多个热源提供围绕至少一个光纤轴向延伸的热区域。
[0033]在根据本发明的一个方面的方法中，该方法还可以包括通过选择性使第一光纤座和第二光纤座转移以彼此远离来使至少一个光纤成锥。
[0034]在根据本发明的一个方面的方法中，该方法还可以包括切割至少一个光纤，以及使用多个热源中的仅一个热源来连结该至少一个光纤。
[0035]在根据本发明的一个方面的方法中，多个热源可以包括两个三电极热源。
[0036]在根据本发明的一个方面的方法中，每个三电极热源可以包括“Y”结构的三电极。
[0037]在根据本发明的一个方面的方法中，每个三电极热源可以包括“T”结构的三电极。
[0038]在根据本发明的一个发明的方法中，形成热区域可以包括，对于每个三电极热源，产生形成在第一电极和第二电极之间的第一电弧，产生形成在第二电极和第三电极之间的第二电弧，以及产生形成在第三电极和第一电极之间的第三电弧。
[0039]在根据本发明的一个方面的方法中，该方法包括将两个三电极热源布置在22〃至24〃汞柱，200至150绝对托真空中。
[0040]在根据本发明的一个方面的方法中，多个热区域可以包括产生9个电弧的两个三电极热源，包括在两个三电极热源之间形成3个电弧。
[0041]在根据本发明的一个方面的方法中，该方法还包括独立控制9个电弧中的每一个。
[0042]在根据本发明的一个方面的方法中，该方法可以包括在顺时针方向上围绕该至少一个光纤的轴旋转两个三电极热源之间的三个电弧。
[0043]在根据本发明的一个方面的方法中，该方法还可以包括在逆时针方向上围绕该至少一个光纤的轴旋转两个三电极热源之间的三个电弧。
[0044]在根据本发明的一个方面的方法中，该系统还包括使用不同变压器，用于驱动每个三电极热源的每个电极。
[0045]在根据本发明的一个方面的方法中，该方法还包括使用共用变压器，用于驱动每个三电极电源的至少一个电极。
[0046]在根据本发明的一个方面的方法中，热区域可以具有高达大约3000°C的温度。
[0047]在根据本发明的一个方面的方法中，热区域可以具有范围为Omm至IOmm的宽度。
[0048]在根据本发明的一个方面的方法中，热区域可以是大约3_。
[0049]在根据本发明的一个方面的方法中，该方法还可以包括将第一光纤座和第二光纤座转移运离热区域。
[0050]在根据本发明的一个方面的方法中，热区域可以是基本均匀被加热的等离子场。
[0051]在根据本发明的一个方面的方法中，至少一个光纤可以是400 μ m至600 μ m范围内的大直径光纤。
[0052]在根据本发明的一个方面的方法中，热区域可以是基本等温的。
[0053]在根据本发明的一个方面的方法中，至少一个光纤可以是光纤束。
[0054]在根据本发明的一个方面的方法中，至少一个光纤可以是400 μ m至600 μ m的大
直径光纤。
[0055]根据本发明的另一方面，提供了一种多级光纤成锥系统，包括:第一光纤座和第二光纤座，用于固定至少一个光纤的各个部分并转移以使彼此远离；以及第一三电极热源和第二三电极热源，布置在第一光纤座和第二光纤座之间并用于提供围绕该至少一个光纤轴向延伸的热区域，该热区域为基本均匀的加热等离子场。
[0056]根据本发明的一个方面的系统，对于每个三电极热源，第一电弧可以形成在第一电极和第二电极之间，第二电弧可以形成在第二电极和第三电极之间，以及第三电弧可以形成在第三电极和第一电极之间。
[0057]在根据本发明的一个方面的系统中，该系统还可以包括不同变压器，用于驱动每个三电极热源的每个电极。
[0058]在根据本发明的一个方面的系统中，该系统还包括共用变压器，用于驱动每个三电极热源的至少一个电极。
[0059]在根据本发明的一个方面的系统中，该系统还包括至少一个步进电机，布置为转移第一光纤座和第二光纤座中的至少一个。
[0060]在根据本发明的一个方面的系统中，至少一个光纤可以是光纤束。
[0061]在根据本发明的一个方面的系统中，至少一个光纤可以是400 μ m至600 μ m的大
直径光纤。
[0062]在根据本发明的一个方面的系统中，多个热源可以包括两个三电极热源，用于产生九个电弧，包括在两个三电极热源之间的3个电弧。
[0063]在根据本发明的一个方面的系统中，9个电弧中的每一个可以被单独控制。
[0064]在根据本发明的一个方面的系统中，该系统可以用于在顺时针方向上围绕该至少一个光纤的轴旋转两个三电极热源之间的三个电弧。
[0065]在根据本发明的一个方面的系统中，该系统可以用于在逆时针方向上围绕该至少一个光纤的轴旋转两个三电极热源之间的三个电弧。
【专利附图】

【附图说明】 [0066]附图通过实例而不是限制的方式描述了优选实施例。在附图中，类似的参考标号表示相同或类似的元件。
[0067]图1是根据本发明的多级光纤处理系统。
[0068]图2A是示出了根据本发明的多个方面的“Y”结构的三电极级的实施例的示意图。
[0069]图2B是示出了根据本发明的多个方面的“T”结构的三电极级的实施例的示意图。
[0070]图3A是两个热源级的实施例的一般侧视图，其中每个热源级是三电极热源。
[0071]图3B是图3A的三电极热源的示意图，是从通常沿光纤的轴的观看的示意图。
[0072]图4是示出了由图3A和图3B中的多级三电极热源产生的等离子场的高斯热分布图的曲线。
[0073]图5是示出了图2A、2B、3A和3B的三电极的相对正弦相位的曲线。
[0074]图6是示出了施加至优选地实现图5中的结果的一组变压器的电流的优选波形的曲线。
[0075]图7是用于驱动如图2A、2B、3A和3B中示出的三电极热源中的三个电极的电路的实施例的示意图。
[0076]图8是用于驱动如图2A、2B、3A和3B中示出的三电极热源中的三个电极的电路的实施例的示意图。
[0077]图9提供了根据本发明的多个方面的处理至少一个光纤的方法的实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0078]应该理解，尽管术语第一、第二等在此可以被用于描述各种元件，这些元件不应被这些术语限制。这些术语被用于在元件之间进行区别，但是不暗示元件要求顺序。例如，在不背离本发明的范围的情况下，第一元件可以被叫做第二元件，以及类似地，第二元件可以被叫做第一元件。如在此所使用的，术语“和/或”包括一个或多个所列相关事项中的任一个和所有组合。
[0079]应该理解，当元件被称为“位于另一元件之上”或“连接”或“耦接”至另一元件时，其可以直接位于另一元件之上或连接或耦接至另一元件，或可能存在中间元件。相反，当元件被称为“直接位于另一元件”或“直接连接”或“直接耦接”至另一元件时，没有中间元件存在。用于描述元件之间的关系的其他词应以类似的方式被解释(例如，“在…之间”相对于“直接在…之间”，“相邻”相对于“直接相邻”等等)。
[0080]在此使用的术语仅是为了描述特定实施例，不旨在限制本发明。如在此所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中清楚表示相反。还应该理解在此使用术语“包括”、“包含”、“具有”和/或“含有”时，说明存在规定特征、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或附加一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、部件
和/或其组合。
[0081]根据本发明的多个方面，提供了一种多级光纤处理系统，用于提供沿至少一个光纤的轴的延伸热区域。延伸热区域可以具有各种功能，例如使光纤成锥，在此光纤的一端或两端可以被拉以产生起源于延伸热区域的期望锥。这样的多级光纤处理系统还可以用其他情况和应用中使用，例如退火、扩散、连结以及消融。
[0082]延伸热区域围绕光纤传递基本等温(或均匀)的热分布。在呈现的优选实施例中，延伸热区域使用两个三电极热源形成，其中电极之间的缝隙距离是相同的。当适当布置时，总计9个电弧在两个电极之间产生。三个电弧在每个热源的三个电极之间产生，总计6个电弧。以及3个电弧在两个三电极热源之间产生，热源可以被控制来顺时针方向或逆时针方向围绕光纤旋转。9个电弧产生了具有基本等温轮廓的涡轮。
[0083]图1提供了根据本发明的多个方面的多级光纤处理系统70的实施例。多级光纤处理系统70用于处理至少一条光纤或光纤束10 (在此统称为“光纤10”)，以及包括至少两个热源HSl和HS2。光纤10可以是或包括具有范围在大约400 μ m至600 μ m的直径的大直径光纤(LDF)，以及除此之外的较小直径光纤。热源HSl和HS2组合提供沿光纤10的轴延伸的热区域50。热区域延伸为大于仅由一个热源提供的热区域。延伸热区域使得光纤处理被改进，而不需要产生单个热源和光纤之间的相对移动来有效延伸热区域。
[0084]光纤10可以使用第一固定装置20和第二固定装置22固定在两点。为了成锥结构，装置20和22可以是或包括连接至例如步进电机的传送机制的夹具。然而，在一些实施例中，可以固定装置20和22中仅一个包括传送机制，而另一个装置可以是固定夹具。在另一实施例中，每个装置20和22都是固定夹具，尽管这对于成锥不是特别有用。
[0085]控制器30可以连接至固定装置20和22中的一个或两个以控制其移动。监视系统40，例如视觉系统可以被用于监视光纤10的改变，例如为了成锥或扩散目的，并提供反馈至控制器30。例如，当成锥时，视觉系统40可以用于保证期望锥被实现。热源HSl和HS2也可以连接至控制器，从而控制其各个方面。例如，当HSl和HS2是多电极热源时，控制器可以控制至电极的输入功率，这可以基于单个电极来进行。控制器可以用于控制形成在两个(或更多)三电极热源之间的方向和强度，或其他热源的其他可调节参数。这样的装置和控制器可以连接至工作站或其他计算机，用于设置参数、操作者控制、程序控制、以及测量、分析和监视。
[0086]在一些实施例中，热源HSl和HS2可以布置在至少部分真空80中。例如，热源HSl和HS2可以布置在22〃至24〃汞柱，200至150绝对托真空中。又例如，热源HSl和HS2可以布置在温度不高于400°C的具有等离子的富氧部分真空中。
[0087]在优选实施例中，热源HSl和HS2包括多电极热源。这样的多电极热源每个都可以包括至少三个电极。三电极热源已经被证明在多种光纤处理中都非常有用，例如由田纳西州富兰克林市的3SAE技术公司开发的处理，其也是美国专利号7，670，065号题目为Mult1-Electrode System的主题,被称作“Ring of Fire?”,并可以实现从小于10CTC至大于3000°C的光纤温度。实际温度可以基于光纤10和期望操作，例如成锥、扩散、连结、退火等等，来选择。
[0088]图2A是示出了根据本发明的多个方面的成“Y”结构的三电极热源级的实施例的示意图。图2B是示出了根据本发明的多个方面的成“T”结构的三电极热源级的实施例的示意图。在一些实施例中，多级光纤处理系统100可以包括两个三电极热源级，或至少6个电极，每级具有至少3个电极。[0089]在图2A中，多电极热源100包括成“Y”结构布置的三个电极102、104和106，其中在每个相邻电极对之间产生电弧。例如，电弧112产生在电极102和104之间；电弧114产生在电极104和106之间；以及电弧116产生在电极106和102之间。该三个电弧112、114和116产生围绕光纤10的加热场50。该加热场50优选地是基本等温加热场。在一些实施例中，加热场50是基本均匀加热等离子场。
[0090]在图2B中，多电极热源100’包括成“T”结构布置的三个电极102、104和106，其中在每个相邻电极对之间产生电弧。例如，与多电极热源100相同，电弧112产生在电极102和104之间；电弧114产生在电极104和106之间；以及电弧116产生在电极106和102之间。该三个电弧112、114和116产生围绕光纤110的加热场110。该加热场110优选地是基本等温加热场。在一些实施例中，加热场是基本均匀加热等离子场。
[0091]由3电极布置产生的热区域可能相对较窄，例如宽度为Imm(在1/2最大值处)。使用多级的3电极热源有效地为热区域增加了第三维，产生延伸热区域或涡流。更宽的热区域具有降低成锥区域的直径的改变的优点。延伸的热区域的热曲线可以基于热源之间的间距和传送至其的功率被控制。三相“Ring of Fire?”的单级的轴向窄热区域，在图2A和图2B中示出，具有用于多个应用的优点，但是更宽的热源对于例如热膨胀芯连结、连结后火抛光以及高比例锥更有利。对于这些应用，三电极系统可以被扩展为六电极结构。在六电极系统中，存在两个热源级HSl和HS2，每个都具有三个电极。
[0092]图3A是具有两个热源级HSl和HS2的实施例的一般侧视图，其中每个热源级是3电极热源。在该实施例中，该3电极热源每个成“Y”结构，如图2A中所示，相邻对之间具有120°。在该实施例中，每个电极102、104、106远离热区域50倾斜或歪斜角度Θ，范围在距离垂直方向的大约22.5°和45°之间。在其他实施例中，电极102、104、106不需要被倾斜，或可以倾斜小于22.5°。尽管目前设想到不是实施本发明的最有模式，但是在其他实施例中，电极102、104、106可以倾斜大于45。角。
[0093]从图3A中可以看到，由六个电极102、102’、104、104’、106和106，产生了 9个电弧。三个电弧产生在电极102、104和106之间，以及三个电弧产生在电极102’、104’和106’之间。此外，三个电弧产生在两个热源HSl和HS2之间，以产生热区域50作为围绕光纤10的基本等温加热场。对于形成在热源之间的3个电弧，一个电弧形成在热源HSl中的一个电极和热源HS2的一个电极之间。例如，不同电弧可以形成在电极102和104’之间、形成在电极104和106’之间、以及形成在电极106和102’之间，因为总计3个电弧形成在热源HSl和HS2之间。这些电弧的形成可以被实现来产生围绕光纤10顺时针或逆时针旋转的电弧(或加热场)的效果。这在图3A中示出。
[0094]图3B是图3的3电极热源HSl和HS2的视图，但是是一般沿光纤10的轴的角度的视图。在该视图中，光纤不在页面中。如图所示，由六个电极(每个热源级三个电极)产生的延伸热区域50围绕光纤10。
[0095]在优选实施例中，多电极热源包括数字控制的三相高电压源驱动的三个钨电极102、104和106。电极的点形成等边三角形，以及结果的等离子放电形成在关于他们共同的中心且垂直于光纤轴的等边三角形形状中。在优选实施例中，电极间隔可以基于热区域的期望横向宽度，从Imm至3_或更多地改变。更近的间隔以较低输入功率提供了更大的稳定性。较宽的间隔提供了对较大光纤的均匀加热。该系统可以被调节为从非常低的功率(例如适于连结〈80 μ m的光纤)至最大150W的输入功率,这易于连结和成锥2mm光纤和光纤束。随着输入功率改变的沿光纤轴的热区域的有效宽度是从?50 μ m至?500 μ m。
[0096]多个驱动电路驱动六个电极(每个热源级3个)以形成延伸热区域50形式的三维辉光放电，完全围绕光纤10，长度容易达到Omm至10mm，如图4的高斯热分布所示。优选热区域宽度可以大约为3_。热区域宽度没有固有限制，以及多于两级的热源可以被使用来进一步延伸热区域。三个电极的两个三角集可以被对齐并在相位上驱动位移120°，或旋转抵消60度，他们的尖端形成不规则八面体。两个集之间的空间可以被调节为控制加热等离子涡流的轴向延伸。对驱动波形的电子调节可以有效地改变传递至光纤或装置的热分布。该系统还可以被操作为一个或两个独立的三相平面系统。
[0097]使用大多数传统的热源，包括“Ring of Fire?”，热的轴向分布基本上为高斯分布，以及有效热区域的宽度不能在操作过程中被改变。六电极系统打开了新的可能性，因为热分布是通过驱动波形的不同特征的相对相控制的，并且可以不对称和实时改变。这就提供了用于异种光纤连结和成锥的更灵活的热应用。如上所述，对于窄的、对称热源，锥的几何由在熔区的任一侧上的光纤的两段的运动和加速度限定。具有轴向延伸几个毫米的热源和不对称热区可以产生由温度分布而不是加速度限定的锥。
[0098]图5-8示出了例如可以用于控制单个3电极热源的波形和示意图。当使用两个(或更多)3电极热源来产生延伸热区时，将产生不同波形和示意图，可以从图5-8中示出的这些推断出。因此，在示例性实施例中，图5-8被提供作为这样推断的基础。
[0099]图5是示出了可以为电极102、104和106提供的以产生如图2A、2B、3A和3B所示的三相电弧的示例性电压的的曲线500。该示出的示例具有大约22kHz的整体频率，具有20kV的峰-峰电压。曲线512对应电极102，曲线514对应电极104，以及曲线516对应电极 106。
[0100]在该示例中，在时间0μ s时，在电极104和106之间存在电弧，见曲线514和516。在大约6μ s时，该电弧移动至电极102和106之间的空间，见曲线512和516。在13μ s时，电弧移动至电极512和514，见曲线513和514，以此类推。在任何时刻，电弧应该呈现在两个电极之间，在两个电极之间具有最大电势差。旋转的相序发生得很快，以致出现电弧不断，并提供了基本恒定的加热，这是因为光纤和周围空气的热时间常数基本上长于电弧的振荡周期。
[0101]可能非常难以实际控制电极处的电压。然而，非常实际的控制至升压变压器的初级的电流的方法可以被应用在示例性实施例中。图6示出了具有用于应用至变压器初级的电流的优选波形的曲线600。该驱动电流系统将产生基本对应于在图5中示出的那些的输出电压波形，产生可控的三相电弧。
[0102]变压器的初级驱动电流要求在O度相位、120度相位和240度相位上布置三个波形。这可以通过已知的数字或模拟装置产生，例如环计数器。在曲线400中，曲线412对应于电极102，曲线414对应于电极104，以及曲线416对应于电极106。
[0103]图7是用于驱动图2A、2B、3A和3B的三个电极102、104和106的电路700的实施例的不意图。六个D-型触发器D1-D6用于实施循环移位寄存器。短启动脉冲702被用于启动电路700。初始，电极102是正的，以及电极104是负的，然后每个序列经过不同相位状态。例如，在该实施例中，整个频率可以是132kHz的时钟频率的1/6。在其他实施例中，这可以不同，优选地保持基本均匀或平均加热的等离子场。电流控制电路(未示出)可以代替CD4050 缓冲器 710，712，714，716，718，和 720。
[0104]所需的电压可以从三个独立的10CT:780高电压变压器722，724，和726、或由缠绕在单个芯上的LC结构产生。也可以将三个变压器722、724和726次级连接为“三角”结构，其中次级线圈连接在相邻电极对之间，而不是如图7中所示的被引用至地。
[0105]在图7 中，M0SFET730, 732，734，736，738，和 740 驱动变压器 722，724，和 726。根据本发明的多个方面，多电极系统可以包括死区功能，通过防止在“正向驱动”和“负向驱动”装置之间的导通上的重叠来提高效率并减少驱动二极管/M0SFET730，732，734，736，738，和740中的耗散。死区功能也可以提供用于调节电弧功率的机制(例如，通过改变死区的宽度)。死区功能也可以通过允许已有电弧在建立相位顺序中的下一电弧之前暂时熄灭来使得电弧状态之间的过渡更清晰。
[0106]死区功能可以通过产生可控的电流波形来包括循环周期的1%至49%的两个死区来实现。
[0107]三电极系统的另一实施例可以产生基本与上面参考图2A、2B、3A和3B所述的三电极系统具有相同属性的电弧，但是具有一个接地电极并且仅有两个供电电极。
[0108]在一个实施例中，电极102和104被供电，以及电极106被接地。以应用至电极102和104的电压波形之间的相位分离的特定角度(在0°至180°之间)，电极106被接地，所有三个电弧112、114、116将以基本相等的强度形成。理论分析(基于矢量计算)提示这将发生在60°相关相位处。在实施方式中，已经发现有必要根据各种实施因素，例如驱动波形的频率和功率以及电极的间隔和条件，来改变大约40°和160°之间的相位。
[0109]图8是用于驱动图2A、2B、3A和3B的三电极布置的电路800的实施例的示意图。图8中的实施例在缓冲器、MOSFET和变压器的方面类似于图7中的实施例，但是与图7不同是，在图8中，第三电极106被连接至地并且不包括缓冲器、MOSFET和变压器电路。
[0110]在图8的实施例中，打开和关闭驱动M0SFET832、834、836和838的信号可以通过可编程微控制器单元850产生，并经由缓冲器810，812，814，和816提供。例如，MOSFET驱动器832，834，836，和838可以是MC34151 (或类似的)MOSFETs以及微控制器850可以是由微芯片公司制造的PAL18F2520。该实施例的该电路允许实时控制和调节驱动信号的持续时间以及相位关系。实时调节可以以维持电弧112、114和116强度基本相等的目的来进行或为了各种目的而故意改变其相对强度来进行。
[0111]为了使得微控制器850能够检测到电弧强度，小值的电阻器Rl (例如，IOOOhm电阻器)可以与地串联连接以返回每个驱动信号。电阻器Rl上建立的电压与由电极102传递的电弧电流成正比。检测电阻器Rl为每个电极设置。例如，来自电极102的20mA电流可以在IOOOhm检测电阻器Rl上产生2V的信号。
[0112]检测电阻器信号是高频AC电压的形式。可以整流和滤波这些信号来产生DC电压，这更适于微控制器单元850的测量。
[0113]示出的简单的整流/滤波网包括二极管D、两个电阻器R2和R3、以及电容器C，都是为三个电极的每一个提供。该网产生了与检测电阻器电压的绝对值的算术平均(例如，平均)成正比的电压。如果需要更高的准确性，已知的方法可以用于产生与检测电阻器电压的均方值(例如方均根或RMS)成比例的电压。RMS值能更好地测量传递至电弧的功率,这在一些应用中可能是非常重要的。
[0114]对该实施例的其他改进可以是使得电源可调节，其在图8中示出为“12V”。本领域已知的可调节的“降压调节器”电路可以将电压从12向下调节至非常低的电压(例如IV)，或任何期望的中间电压。这在需要非常低功率的电弧时有用，因为已经发现至MOSFET的非常低的脉冲带宽(获得低功率操作的前述方法)可以导致不稳定的电弧操作。可选地，较低输入电压和/或较低变压器的升压比可以与升压型调节器结合来提供电压的等值范围。
[0115]在一些实施例中，图3A和3B中的6电极中的每个可以被其本身的变压器驱动。例如，每个热源HS I和HS2可以使用图7或图8的电路。
[0116]在其他实施例中，两个电极，一个来自每个3电极热源可以共享变压器，以及其他四个电极每个都可以具有其本身的变压器。例如，参考图7，每个热源HSl和HS2可以共享在每个3电极热源中的用于电极106的第三变压器。以及电极102和104可以具有其各自的变压器。
[0117]图9提供了根据本发明的多个方面的处理至少一个光纤的方法900的实施例的流程图。方法900可以使用例如图1的系统70来实施。步骤902包括使用第一光纤座和第二光纤座来固定至少一个光纤的各个部分。以及步骤904包括使用布置在第一光纤座和第二光纤座之间的多个热源来提供围绕至少一个光纤的轴向延伸热区域。
[0118]在步骤906，通过选择性转移第一光纤座和第二光纤座以使彼此远离来实现成锥。该方法还包括在步骤908切割至少一个光纤，以及在步骤910将至少一个光纤与多个热源中的仅一个热源连结。
[0119]显然，在本发明的精神和范围内，存在其他可能的电极布置。这些替换布置可能在期望改变光纤的加热图样的情况下是优选的，或者在可替换布置有利于相对于较大系统中的其他设备布置电极的情况下是优选的。
[0120]在各种实施例中，多于两级的热源可以被使用，并且每个热源不必具有相同的类型。热源可以采用任何已知或后续开发出的热源。例如，热源可以是两电极热源。热源可以包括火焰。火焰可以直接应用于光纤或应用至围绕光纤的坩锅。热源可以是丝状热源，基本上环绕光纤。丝状热源可以包括钨丝或石墨丝。激光可以是ΙΟμπι C02激光。优选地，热源提供围绕光纤的基本均匀的加热场，除非有特殊的原因不需要均匀场。多电极热源可以是窄的并且高度可控的，从而为他们本身提供相对高程度的控制。
[0121]各种已知的使用传统两电极系统改进和控制技术电弧性能的技术也可以应用或适用于这些实施例，包括脉宽调制、离子注入、反馈控制等。电极也可以安装有旨在改变电弧分布的屏蔽或聚焦套筒或其他技术。已知的使用插在等离子场附件的电介质的弯弧技术也可以被使用。
[0122]本发明的原理也可以延伸至例如四个或更多电极的系统，但是三电极提供了确定的弧顺序和基本平均的加热。该系统还使用2电极热源，但是再次说明，三电极热源目前是优选的。
[0123]尽管上面描述了被认为是最佳模式和/或其他优选的实施例，但是应该理解，可以对其进行各种修改，并且本发明或多个发明可以以各种模式和实施例实施，并且可以被应用在多个应用中，仅部分这些应用在此已经被描述。所附权利要求旨在要求其字面描述及其所有等同物，包括落在每个权利要求的范围内的修改和变形。
【权利要求】
1.一种多级光纤处理系统,包括: 第一光纤座和第二光纤座，用于固定至少一个光纤的各个部分；以及 多个热源，布置在所述第一光纤座和所述第二光纤座之间并用于提供围绕所述至少一个光纤轴向延伸的热区域。
2.根据在此任意其他权利要求所述的系统，所述多个热源中的至少一个热源是多电极热源。
3.根据在此任意其他权利要求所述的系统，所述多个热源包括两个三电极热源。
4.根据在此任意其他权利要求所述的系统，所述三电极热源中至少一个包括“Y”结构的三电极。
5.根据在此任意其他权利要求所述的系统，所述三电极热源中至少一个包括“T”结构的三电极。
6.根据在此任意其他权利要求所述的系统，其中对于每个三电极热源，第一电弧形成在第一电极和第二电极之间，第二电弧形成在第二电极和第三电极之间，以及第三电弧形成在第三电极和第一电极之间。
7.根据在此任意其他权利要求所述的系统，其中所述两个三电极热源布置在22"至24〃汞柱，200至150绝 对托真空中。
8.根据在此任意其他权利要求所述的系统，其中所述两个三电极热源布置在温度不大于大约400°C的具有等离子的富氧部分真空中。
9.根据在此任意其他权利要求所述的系统，其中所述多个热源包括两个三电极热源，用于产生九个电弧，包括在所述两个三电极热源之间的3个电弧。
10.根据在此任意其他权利要求所述的系统，其中所述九个电弧被单独控制。
11.根据在此任意其他权利要求所述的系统，其中所述系统用于在顺时针方向上围绕所述至少一个光纤的轴旋转所述两个三电极热源之间的所述三个电弧。
12.根据在此任意其他权利要求所述的系统，其中所述系统用于在逆时针方向上围绕所述至少一个光纤的轴旋转所述两个三电极热源之间的所述三个电弧。
13.根据在此任意其他权利要求所述的系统，还包括不同变压器，用于驱动每个所述三电极热源的每个电极。
14.根据在此任意其他权利要求所述的系统，还包括共用变压器，用于驱动每个所述三电极电源的至少一个电极。
15.根据在此任意其他权利要求所述的系统，其中所述热区域具有高达大约3000°C的温度。
16.根据在此任意其他权利要求所述的系统，其中所述热区域具有范围在Omm至IOmm的宽度。
17.根据在此任意其他权利要求所述的系统，其中所述热区域是大约3mm。
18.根据在此任意其他权利要求所述的系统，其中所述第一光纤座和所述第二光纤座可转移地运离所述热区域。
19.根据在此任意其他权利要求所述的系统，其中所述热区域是基本均匀加热的等离子场。
20.根据在此任意其他权利要求所述的系统，其中所述热区域是基本等温的。
21.根据在此任意其他权利要求所述的系统，其中所述至少一个光纤是光纤束。
22.根据在此任意其他权利要求所述的系统，其中所述至少一个光纤是400μπι至600 μ m的大直径光纤。
23.一种光纤处理的方法，包括: 使用第一光纤座和第二光纤座固定至少一个光纤的各个部分；以及使用布置在所述第一光纤座和所述第二光纤座之间的多个热源提供围绕所述至少一个光纤轴向延伸的热区域。
24.根据在此任意其他权利要求所述的方法，还包括: 通过选择性使所述第一光纤座和所述第二光纤座转移以彼此远离来使所述至少一个光纤成锥。
25.根据在此任意其他权利要求所述的方法，还包括: 切割所述至少一个光纤；以及 使用所述多个热源中的仅一个热源来连结所述至少一个光纤。
26.根据在此任意其他权利要求所述的方法，其中所述多个热源包括两个三电极热源。
27.根据在此任意其他权利要求所述的方法，其中每个所述三电极热源包括“Y”结构的三电极。
28.根据在此任意其他权利要求所述的方法，其中每个所述三电极热源包括“T”结构的三电极。
29.根据在此任意其他权利要求所述的方法，其中形成所述热区域包括，对于每个所述三电极热源: 产生形成在第一电极和第二电极之间的第一电弧； 产生形成在所述第二电极和第三电极之间的第二电弧；以及 产生形成在所述第三电极和所述第一电极之间的第三电弧。
30.根据在此任意其他权利要求所述的方法，还包括将所述两个三电极热源布置在22〃至24〃汞柱，200至150绝对托真空中。
31.根据在此任意其他权利要求所述的方法，其中所述多个热区域包括产生9个电弧的两个三电极热源，包括在所述两个三电极热源之间形成3个电弧。
32.根据在此任意其他权利要求所述的方法，还包括独立控制所述9个电弧中的每一个。
33.根据在此任意其他权利要求所述的方法，还包括在顺时针方向上围绕所述至少一个光纤的轴旋转所述两个三电极热源之间的三个电弧。
34.根据在此任意其他权利要求所述的方法，还包括在逆时针方向上围绕所述至少一个光纤的轴旋转所述两个三电极热源之间的三个电弧。
35.根据在此任意其他权利要求所述的方法，还包括使用不同变压器，来驱动每个所述三电极热源的每个电极。
36.根据在此任意其他权利要求所述的方法，还包括使用共用变压器，来驱动每个所述三电极电源的至少一个电极。
37.根据在此任意其他权利要求所述的方法，所述热区域具有高达大约3000°C的温度。
38.根据在此任意其他权利要求所述的方法，所述热区域具有范围在Omm至IOmm的宽度。
39.根据在此任意其他权利要求所述的方法，所述热区域是大约3mm。
40.根据在此任意其他权利要求所述的方法，还包括将所述第一光纤座和所述第二光纤座转移运离所述热区域。
41.根据在此任意其他权利要求所述的方法，所述热区域是基本均匀被加热的等离子场。
42.根据在此任意其他权利要求所述的方法,所述至少一个光纤是400μ m至600 μ m的大直径光纤。
43.根据在此任意其他权利要求所述的方法，其中所述热区域是基本等温的。
44.根据在此任意其他权利要求所述的方法，其中所述至少一个光纤是光纤束。
45.根据在此任意其他权利要求所述的方法，所述至少一个光纤是大约400μπι至600 μ m范围内的大直 径光纤。
46.一种多级光纤成锥系统,包括: 第一光纤座和第二光纤座，用于固定至少一个光纤的各个部分并转移以远离彼此；以及 第一三电极热源和第二三电极热源，布置在所述第一光纤座和所述第二光纤座之间并用于提供围绕所述至少一个光纤轴向延伸的热区域，所述热区域为基本均匀的加热等离子场。
47.根据在此任意其他权利要求所述的系统，其中对于每个所述三电极热源，第一电弧形成在第一电极和第二电极之间，第二电弧形成在第二电极和第三电极之间，以及第三电弧形成在所述第三电极和所述第一电极之间。
48.根据在此任意其他权利要求所述的系统，还包括不同变压器，用于驱动每个所述三电极热源的每个电极。
49.根据在此任意其他权利要求所述的系统，还包括共用变压器，用于驱动每个所述三电极热源的至少一个电极。
50.根据在此任意其他权利要求所述的系统，还包括至少一个步进电机，布置为转移所述第一光纤座和所述第二光纤座中的至少一个。
51.根据在此任意其他权利要求所述的系统，其中所述至少一个光纤是光纤束。
52.根据在此任意其他权利要求所述的系统，其中所述至少一个光纤是400μπι至600 μ m的大直径光纤。
53.根据在此任意其他权利要求所述的系统，其中所述多个热源包括两个三电极热源，用于产生九个电弧，包括在所述两个三电极热源之间的3个电弧。
54.根据在此任意其他权利要求所述的系统，其中所述9个电弧中的每一个被单独控制。
55.根据在此任意其他权利要求所述的系统，其中所述系统用于在顺时针方向上围绕所述至少一个光纤的轴旋转所述两个三电极热源之间的所述三个电弧。
56.根据在此任意其他权利要求所述的系统，其中所述系统用于在逆时针方向上围绕所述至少一个光纤的轴旋转所述两个三电极热源之间的所述三个电弧。
【文档编号】G02B6/28GK103477261SQ201280013659
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2012年1月17日 优先权日:2011年1月19日
【发明者】罗伯特·G·威利, 布雷特·克拉克, 约翰·罗沃 申请人:3Sae科技公司