利用放電對光纖進行加熱的設備和方法

專利名稱：利用放電對光纖進行加熱的設備和方法
背景技術：
發明領域本發明涉及一種用于在通過放電將具有不同模式場直徑的多根光纖進行熔接之后，利用放電對光纖帶的多根光纖的熔接部分附近進行加熱的方法和裝置。
相關技術的描述用于連接光纖帶中光纖的順序操作規程(ordinal practice)，是通過在一步操作中大量熔接多根光纖來進行。在該操作過程中，在同時熔化光纖帶的兩端時，光纖帶中的光纖被熔接起來，并且通過利用一對放電電極之間產生放電的能量使它們彼此靠緊。
近年來，人們正在致力于開發用于波分復用傳輸和拉曼放大器中的、普通的單模光纖與功能光纖相結合的混合光纖。在這種混合光纖的發展過程中，重要的是不僅要改善光纖特性，而且要改進光纖連接技術。
圖7A至7C表示利用放電對光纖進行熔接的連接方法的示意圖。圖7A為透視圖，表示該連接方法。圖7B為局部視圖，表示放電是如何發生的，圖7C表示施加給各根光纖的熱能分布。在圖7A至7C中，數字1表示光纖帶，2為光纖帶1中的光纖，4為熔接點，5為V-型槽基板，6為夾持件，7為放電電極，8為電弧。為了進行熔接，操作者首先在光纖帶1端部處將包層從光纖帶上剝去，從而將光纖2暴露在外。利用V-型槽基板5和夾持件6將光纖2保持在適當的位置。然后，調整光纖2，使每兩根光纖的端面彼此相對并具有一預定的間隙。此后，在偏離光纖2的分布平面設置的一對放電電極7之間產生電弧；當每兩根光纖2的端部被熔化時，將任一光纖2相對另一光纖推動，或者沿相反方向推動兩根光纖2，從而在一步操作中將所有的光纖2熔接在一起。
不過，如果如圖7B所示多根光纖2排列在同一平面中，則遠離光纖陣列中心設置的光纖2a和接近中心設置的光纖2b接收到不同量的熱能，因為距離任一個放電電極7頂部越近，光纖2接收的放電能量越高。由于外部的光纖2a阻擋了內部的光纖2b，所以接收的熱能也會不同。圖7C表示施加給多根光纖2的熱能分布；顯然，與內部光纖2b相比，更多的熱能被施加給外部光纖2a。結果導致不均勻的熔接。
在對彼此具有不同模式場直徑的普通的單模光纖與功能光纖進行連接的情形中，僅基于電弧放電的熔接難以獲得實際可接受的耦合損耗。因而，對熔接部分4附近進行另外加熱，且至少逐漸地將其中一根光纖的芯徑增大(逐漸變細)成平滑形狀，從而在連接點處使它們具有相等的模式場直徑。以前將這種方法稱為熱擴散膨脹芯(后面，稱為TEC)方法。例如，在日本專利登記號No.2,618,500中描述了一種TEC。
圖8表示在熔接之后進行另外的加熱過程的一個例子。圖8A表示設置在準備進行熔接的配合位置處具有不同模式場直徑的兩根光纖；圖8B表示已經使用電弧放電被熔接在一起的兩根光纖；圖8C表示對連接進行加熱以執行TEC處理。在圖8中，數字3a和3b指芯部；其它數字與圖7中所使用的相同，省略了對其的詳細解釋。
待熔接的光纖2具有相同的外包層直徑，但芯3a和3b的直徑和相對折射率差不同；因而，這些光纖具有不同的模式場直徑。當如圖8A所示將光纖2設置成使其待連接的端面彼此相對之后，如圖8B所示，使用電弧放電將兩根光纖的端部熔接在一起。如果使用電弧放電僅將兩根光纖的端部熔接在一起，則由于模式場直徑的差別產生兩根光纖的間斷或者匹配不當的連接，使連接損耗表現出較高的值。
為了解決這個問題，使用電弧放電對熔接部分4附近進行加熱，以實現TEC處理(參見圖8C)。在光纖2本身沒有被熔化而加入芯3a和3b的摻雜劑被熱擴散到包層中的溫度和時間條件下，實現加熱。摻雜劑增大了光纖芯的折射率。
在這種情況下，該光纖比其它光纖具有足夠小的芯徑，而且具有較大的相對折射率差。
作為這種加熱的結果，該光纖的芯3b的直徑逐漸增大(逐漸變細)，從而減少與另一光纖的芯3a的間斷或者不匹配。因此，減小了連接損耗。如果在這種不同光纖的熔接之后進行上述TEC處理，使具有較小芯徑的光纖的模式場直徑逐漸接近于另一光纖的模式場直徑，從而可減小連接損耗。如已經提到的，按照圖7所述的方式，通過放電進行加熱的方法會產生不均勻的熔接，因為與內部光纖2b相比，更多的熱能被施加給了外部光纖2a。在熔接期間的這種加熱過程中，TEC也進行到某種程度。如果以與熔接相同的方式進行用于TEC處理的加熱，則內部光纖2b的TEC處理的進展是如此之慢，以致在完成加熱時過量的熱能被施加給了外部光纖2a，，從而增大而不是減小了連接損耗。
發明概述本發明的一個目的在于提供一種通過放電加熱光纖的方法，通過組合用于熔接的基于放電的加熱和用于TEC處理的基于放電的加熱，能夠將基本均勻的熱能施加給具有同軸芯部的光纖帶中所有的光纖。
本發明的另一個目的在于提供一種實現該方法的設備。
作為本發明的第一個方面，一種用于利用放電加熱第一光纖帶和第二光纖帶的方法，該第一和第二光纖帶分別具有彼此平行排列的多根光纖，該方法包括以下步驟a)利用放電熔接第一和第二光纖帶的光纖；b)在與排列有光纖的平面垂直的方向設置至少一對放電電極；c)利用該對放電電極之間產生的放電，對第一和第二光纖帶的光纖的熔接部分附近進行加熱，同時該對放電電極沿光纖排列方向和光纖的軸向其中至少之一移動，使得與遠離中心設置的光纖相比，將更多的熱能施加給接近于光纖陣列中心設置的光纖。
另外，已知通過加熱進行的TEC處理在類似光纖的熔接中也是有效的，因為在熔接中通過向外擴張(flaring)兩根光纖的芯徑，可以減小偏心所導致的光纖的連接損耗。
作為本發明第二個方面，本發明的設備用于在光纖熔接之后，通過放電對光纖的熔接部分附近進行加熱，該設備包括在與排列有光纖的平面垂直的方向設置至少一對放電電極；一運動機構，沿光纖的排列方向和光纖的軸向其中至少之一，對放電電極和光纖其中至少之一進行移動；以及一控制部件，以這樣一種方式控制向光纖施加熱能，使得與遠離中心設置的光纖相比，將更多的熱能施加給靠近光纖陣列中心設置的光纖。
附圖簡述

圖1A至1C為說明第一實施例的略圖；圖2A至2C為說明第二實施例的略圖；圖3A至3C為說明第三實施例的略圖；圖4A至4C為說明在本發明中施加給光纖的三種熱能分布的略圖；圖5A和5B示意性地表示本發明中可以使用的光纖夾持裝置的兩個例子；圖6A和6B示意性地表示本發明中可以所使用的電極部件的兩個例子；圖7A至7C為說明用于光纖熔接的相關技術方法的略圖；以及圖8A至8C為說明相關技術的TEC處理方法的略圖。
最佳實施例的詳細說明在本發明中，通過圖7所示的普通電弧放電方法，對光纖帶中具有不同模式場直徑的多根光纖同時進行熔接。然后，使用電弧放電對光纖帶的熔接部分附近進行加熱，以校正由于熔接點處模式場直徑的差別所導致的光纖帶的間斷或不匹配(下面將這種處理稱作TEC處理)。
在光纖2本身沒有被熔化，但加入芯區域中以增大折射率的摻雜劑熱擴散到包層區域中的溫度和時間條件下，進行這種加熱。
我們參照圖1說明第一實施例。圖1A表示放電電極相對光纖的位置；圖1B表示圖1A所示配置的一種變型；圖1C表示施加給放電電極的放電功率與光纖排列之間的關系。圖1中所使用的數字與圖8相同，從而省略其詳細描述。
圖1A和1B中表示出用于TEC處理的加熱的施加方法。提供用來產生電弧放電的一對放電電極7，使它們與其中排列有光纖2的平面(水平的)垂直。放電電極7沿光纖排列方向相對光纖移動，使得同時對多根光纖2進行局部加熱。圖1A表示的情況是將以預定間隔排列的光纖2的位置固定，而移動對光纖2進行加熱的放電電極7。圖1B表示的情況是固定放電電極7的位置，而移動進行加熱的光纖2。雖然沒有表示出，不過放電電極7也可沿光纖2的軸向相對光纖2移動，使得在一預先確定的范圍上對熔接部分4附近進行加熱，以進行TEC處理。也可以通過移動放電電極7或者移動光纖2實現放電電極7沿光纖軸方向的移動。下面將描述用于移動光纖2和放電電極7的機制和其它特征。
在圖1所示的第一實施例中，取決于光纖，通過改變放電功率而改變能量，以適當地實現TEC處理。
如圖1C所示，將較強的放電功率施加給內部光纖2b，將較弱的放電功率施加給外部光纖2a。為了調節放電功率，改變放電電流或者放電電壓，或者同時改變放電電流與放電電壓。結果，與外部光纖2a相比，更多的熱能被施加給了內部光纖2b。從而，用與熔接中所采用的分布相反的分布施加的熱能實現加熱。因此，考慮熔接和TEC處理，可以將大體均勻的熱能分布施加給所包含的所有光纖。
圖2表示第二實施例。圖2A表示放電電極相對光纖的位置；圖2B表示圖2A所示配置的一種變型；圖2C表示放電電極7的電極間隙與光纖排列之間的關系。圖2中所使用的數字與圖1中所使用的相同，從而省略對其的詳細說明。
第二實施例中用于TEC處理的進行加熱的方法，如同圖1中所示的情形；設置一對放電電極7，使得它們垂直于其中排列有光纖2的平面(水平的)。放電電極7沿光纖排列方向相對光纖2移動，使得同時對多根光纖2進行局部加熱。圖2A表示的情況是固定以預定間隔排列的光纖2的位置，移動用來加熱光纖2的放電電極7。圖2B表示的情況是固定放電電極7的位置，移動光纖2來進行加熱。
雖然沒有表示出，不過放電電極7也可沿光纖2的軸向相對光纖移動，使得在一預定范圍上對熔接部分附近進行加熱，以實現TEC處理。這也與圖1中所示的情形相同。
在第二實施例中，對于各根光纖，改變電極間隙或放電電極7之間的距離，從而改變用于實現TEC處理的熱量。如圖2C所示，對于內部光纖2b增大電極間隙，而對于外部光纖2a則減小電極間隙。如果放電電流不變，則通過增大電極間隙可以獲得更高的放電電壓，從而使放電能量增加，相當于圖1所示的施加增大的放電功率的情形。結果，與外部光纖2a相比，更多的熱能被施加給了內部光纖2b。用與熔接中所采用的分布相反的分布的熱能實現加熱。因此，考慮熔接和TEC處理，可以將大體均勻的熱能分布施加給所包含的所有光纖。
圖3表示第三實施例。具體說來，圖3A表示放電電極7相對光纖的位置；圖3B表示圖3A所示配置的一種變型；圖3C表示放電電極相對光纖的移動速度。圖3中使用的數字與圖1中所使用的相同，從而省略對其的詳細描述。在第三實施例中用于TEC處理的進行加熱的方法與圖1中所示的情形相同；設置一對放電電極7，使得它們與其中排列有光纖2的平面(水平的)垂直。放電電極7沿光纖排列方向相對光纖2移動，從而同時對多根光纖2進行加熱。
圖3A表示的情況是固定以預定間隔排列的光纖2的位置，移動放電電極7。圖3B表示的情況是固定放電電極7，移動光纖2。雖然沒有示出，不過放電電極7也可沿光纖2的軸向相對光纖2移動，使得在預定范圍上對熔接部分附近進行加熱，以實現TEC處理，這也與圖1中所示的情形相同。
在第三實施例中，對于各根光纖局部地改變放電電極7的移動速度，以施加改變的熱量，實現TEC處理。如圖3C所示，對于內部光纖2b減小移動速度，而對于外部光纖2a則增大移動速度。通過減小移動速度，可以增加加熱時間和施加給光纖的熱量，相當于圖1所示的情形，通過增加放電功率而施加更多的熱。結果，與外部光纖2a相比，更多的熱能被施加給內部光纖2b。用與熔接中所采用的分布相反的分布施加的熱能實現加熱。因此，考慮熔接和TEC處理，可以將大體均勻的熱能分布施加給所包含的所有光纖。
圖4示意性地表示三個實施例中熱能大小與熱能所施加的光纖之間的關系。具體來說，圖4A表示在熔接中所施加的熱能分布；圖4B表示進行TEC處理時用于加熱的熱能分布；圖4C表示在熔接和用于TEC處理的加熱過程中，所施加的總熱能的分布。陰影區域相當于所施加的熱能。如圖4A所示，在熔接時，將較多的熱能施加給外部光纖2a，將較少的能量施加給內部光纖2b。相反，如圖4B所示，當實現用于TEC處理的加熱時，將較少的熱能量施加給外部光纖2a，將較多的熱能施加給內部光纖2b。
結果，如圖4C所示，考慮包括熔接和用于TEC處理的加熱的整個過程，可以使施加給外部光纖2a的熱能的總量幾乎等于施加給內部光纖2b的熱能的總量。
通過將大體均勻的熱能施加給所包含的所有光纖2，可以消除熔接中的任何不均勻性，并且可以在所有的光纖上實現均勻的TEC處理。從而，可以實現連接損耗的均勻減小。術語“均勻”和“大體均勻”不是指完全相等，而是允許存在一定范圍的變化。
圖5示意性地表示出示例性光纖夾持裝置。圖5A表示適于沿軸向移動光纖，同時使光纖相對兩側的支架同步的配置。圖5B表示圖5A所述配置的一種變型。在圖5A和5B中，數字10和10a為光纖夾持裝置，11為光纖支架，12為支架驅動臺，13為基座平臺，14為驅動機構，15為基座平臺驅動臺，16為驅動機構，20為電極部件。其它數字與圖1-4所使用的數字相同，從而省略對其的詳細說明。
使用圖5A和5B所示的光纖夾持裝置10，10a，沿軸向在預定范圍上對光纖2的熔接部分4附近進行加熱。在圖5A所示的配置中，固定放電電極7，而移動光纖2。利用V-型槽光纖支架11將被連接的光纖2固定在熔接部分4兩側的位置上。一對光纖支架11經由支架驅動臺12設置在基座平臺13上。通過驅動機構14，控制支架驅動臺12沿光纖2的軸向運動。
圖5A所示的光纖夾持裝置10包括由相關的驅動機構14分別驅動的一對光纖支架11。通過控制部件(未示出)同步控制驅動機構14，進行驅動。
圖5B所示的光纖夾持裝置10a是圖5A所示配置的一種變型。光纖夾持裝置10a是這樣一種光纖夾持裝置，基座平臺13設置在基座平臺驅動臺15上，以便是可移動的。這種結構得益于簡單的控制機制，因為不必分別控制該對光纖支架11來進行驅動。另一方面，在這種結構中，部件的數量增加了，整個裝置有些龐大。
在圖5A和5B中，表示放電電極7是固定的。可以固定光纖2，而放電電極7適合于沿光纖2的軸向移動。在另一個實施例中，當在一步操作中對光纖的帶1進行集中熔接時，光纖夾持裝置10，10a可以用作光纖夾持裝置。
在這種情況下，在光纖2熔接之后，可以立即對光纖2進行TEC處理而不必從夾持裝置取下光纖。
圖6A和6B示意性地表示電極部件的兩個例子。具體來說，圖6A表示其中放電電極間隙不變的配置。圖6B表示放電電極間隙可變的配置。在圖6A和6B中，數字20，20a指電極部件，21為電極底座，22為電極支撐柱，23為支撐柱驅動臺，24為基座平臺，25為驅動機構，26為電極支撐臂，27為電極驅動臺，28為驅動機構，30為放電電路，31為控制部件，32為供電部件。其它數字與圖1-4所使用的數字相同，從而省略對其的詳細說明。
圖6A中所示的電極部件20適用于圖1和3中所示的加熱實施例。電極部件20使操作期間放電電極7之間的間隙不變。不過，電極部件20配備有調節部件(未示出)，用于在操作過程中設置放電電極高度和間隙。該電極部分20如此構成，通過固定在從電極支撐柱22伸出的支撐臂22a上的相應的電極底座21來支撐一對放電電極7。利用設置在基底平臺24上的支撐柱驅動臺23，電極支撐柱22可沿光纖排列方向移動。利用包括直流驅動馬達等的驅動機構25，驅動支撐柱驅動臺23。通過來自具有預加載程序的控制部件31的控制信號來控制驅動機構25。
為了按圖1A所示的方式使用，放電電極7與放電電路30相連接，逐步控制放電功率。放電電路30連接到控制部件31和供電部件32上。放電電路30調節每次放電電極7沿光纖排列方向移動時的放電功率。
用這種方法，可以改變施加給單個陣列的光纖帶中各根光纖2的熱能，如圖1C所示。如圖4B所示設置施加給每根光纖2的熱能量。
為了用于圖3A至3C所示的實施例中，放電電極7的放電功率保持不變。不過，每次放電電極7沿光纖排列方向移動時，它們的移動速度由控制部件31控制，以調節光纖帶中各根光纖2經受放電的時間。可以改變放電電極7橫向移動經過單個陣列中的各根光纖2時的移動速度，如圖3C所示。用這種方法，可以改變施加給每根光纖的熱能，再次如圖4B所示設置施加給各根光纖2的熱能量。
圖6B中所示的電極部件20a適用于圖2A至2C中所示的加熱模式。電極部件20a使放電電極7之間的間隙可變。該電極部件20a被設計成將一對放電電極7通過電極底座21固定在相關的電極支撐臂26上。電極支撐臂26固定在垂直設置在電極支撐柱22上的電極驅動臺27上；支撐柱驅動臺27適合于利用驅動部件28，在垂直于其中排列有光纖的平面的方向單獨移動，且驅動部件28包括一直流驅動馬達等。
對于圖6A所示的配置，利用設置在底座平臺24上的支撐柱驅動臺23，電極支撐柱22可沿光纖排列方向移動。利用包括直流驅動馬達等的驅動機構25來驅動支撐柱驅動臺23。通過來自具有預加載程序的控制部件31的控制信號來控制驅動機構25和28。
為了用于圖2A至2C所示的實施例中，使用一恒定電流的電源32作為放電電路30，以向放電電極7供給恒定的電流，而放電電流7沿光纖排列方向以不變的速度移動。不過如圖2C所示，每次放電電極沿光纖排列方向移動時，放電電極7之間的間隙改變。如果電極之間的放電電流不變，則放電功率隨著電極間隙而改變，從而放電電壓改變。用這種方法，可以局部地改變施加給每根光纖的熱能。再次如圖4B所示設置施加給各根光纖的熱能量。
上面圖6的描述假設了一種類型的配置，其中放電電極7相對光纖2移動。如果如圖6A所示光纖2相對放電電極7移動，則光纖夾持裝置10，10a可以配備一用于沿光纖排列方向移動光纖2的每個陣列的機構。雖然前面的描述僅涉及沿光纖排列方向移動放電電極7的機構，但應該注意在沿光纖排列方向移動之后，放電電極7也沿光纖2的軸向相對移動，以便通過放電在預定范圍上對它們的熔接部分附近進行加熱。用與參考圖5描述的光纖夾持裝置10，10a中的驅動機構有關的操作，可實現放電電極7沿光纖軸向的移動。還應該注意，重復通過放電對光纖2的加熱，直到將必需的熱能大小施加給熔接部分4附近為止，以保證以基本均勻的方式實現該區域的TEC處理。
從前面的描述中顯然可以看出，本發明確保具有同軸芯部分的光纖的熔接部分附近對于每根光纖被受控加熱，并改變施加給各根光纖的熱能的大小。當通過放電集中熔接光纖時，遠離光纖陣列中心的光纖的熔接狀態與接近中心的光纖的熔接狀態不同。不過，根據本發明，可以通過包含放電加熱的TEC處理來消除這種不均勻熔接。另外，可以使包括熔接過程中所施加的熱量在內的熱能的總量在所包含的所有光纖上基本上是均勻的；結果可以均勻地實現TEC處理。
權利要求
1.一種利用放電加熱第一光纖帶和第二光纖帶的方法，該第一和第二光纖帶分別具有多個彼此平行排列的光纖，該方法包括以下步驟a)利用放電熔接第一和第二光纖帶的光纖；b)在與其中排列有光纖的平面垂直的方向設置至少一對放電電極；c)利用該對放電電極之間所產生的放電，加熱第一和第二光纖帶的光纖的熔接部分附近，該對放電電極沿光纖排列方向和光纖的軸向其中至少之一移動，使得與遠離中心設置的光纖相比，將更多的熱能施加給靠近光纖陣列的中心設置的光纖。
2.根據權利要求1所述的方法，其中該光纖具有不同的模式場直徑，并且其中在光纖本身沒有被熔化，而加入光纖芯中的摻雜劑熱擴散到光纖包層中的溫度和時間條件下實現加熱，從而校正熔接部分中模式場直徑的差別。
3.根據權利要求1所述的方法，其中根據光纖的位置，通過改變放電的功率來控制施加給光纖的熱能。
4.根據權利要求1所述的方法，其中根據光纖的位置，通過改變放電電極之間的間隙來控制施加給光纖的熱能。
5.根據權利要求1所述的方法，其中根據光纖的位置，通過改變放電電極移動的速度來控制施加給光纖的熱能。
6.根據權利要求3到5中任一權利要求所述的方法，其中對于每根光纖，在熔接和加熱步驟中通過放電施加給光纖的總熱能基本上是均勻的。
7.一種用于在光纖熔接之后通過放電對光纖的熔接部分附近進行加熱的裝置，該裝置包括沿垂直于其中排列有光纖的平面的方向設置的至少一對放電電極；一移動機構，用于沿光纖排列方向和光纖的軸向其中至少之一，對放電電極和光纖其中至少之一進行移動；以及一控制部件，用于以這樣一種方式控制施加給光纖的熱能，使得與遠離中心設置的光纖相比，將更多的熱能施加給靠近光纖陣列的中心設置的光纖。
8.根據權利要求7所述的裝置，其中該移動機構相對光纖移動放電電極。
9.根據權利要求7所述的裝置，其中該移動機構相對放電電極移動光纖。
全文摘要
一種通過放電加熱光纖的方法，包括熔接光纖，然后通過放電對光纖的熔接部分附近施加加熱。沿與其中排列有光纖的平面垂直的方向設置放電電極。利用放電電極通過放電對熔接部分附近進行加熱。不僅沿光纖排列方向移動放電電極，而且沿光纖的軸向移動放電電極，使得與遠離中心設置的光纖相比，將更多的熱能施加給靠近光纖陣列的中心設置的光纖。
文檔編號H05B7/00GK1405588SQ02143138
公開日2003年3月26日 申請日期2002年9月13日 優先權日2001年9月13日
發明者山田英一郎, 齋藤和人, 田村充章 申請人:住友電氣工業株式會社