測定光纖的mfd的製作方法
2023-06-08 13:18:06
專利名稱：測定光纖的mfd的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測定光纖的MFD以用在光纖熔化接合設備中的方法以及一種測定光纖的MFD的設備。
背景技術：
已經開發並改進用於對齊和接合基於二氧化矽的光纖的設備和方法很多年了。眾所周知纖芯/覆層偏心率、劈角、旋度、光纖末端汙染和模場直徑(mode field diameter-MFD)失配是光纖熔化接合中出現損失的主要原因。
通常，對光纖模場直徑(MFD)的準確了解允許測定由光纖引導的光波的各種傳播特徵，例如光源和光纖之間的耦合效率、接合損失及色散等。對光纖的MFD的了解通常是由所謂的發射近場(TNF)方法獲得的。在這種方法中，在光纖的一端射入光，並且由可移動檢測器掃描光纖另一端的放大的圖像，或者光纖末端移動而檢測器是固定的。TNF方法的主要缺點是該方法是破壞性的，因為必須切斷光纖以訪問測量MFD的端表面。因此，該方法不適用於在動態過程中處理MFD測量，例如監控熔化接合期間MFD的變化。此外，需要昂貴的設備和高資質的操作員進行TNF測量，這些條件並不總是能夠具備，尤其是在本領域中。
在大量其它參數中，MFD通常可以看作是光纖纖芯的直徑的函數，就像例如瑞典專利502374和502290所公開的那樣。如同這些專利中所公開的那樣，捕獲並分析受熱光纖的圖像以找到光纖纖芯直徑的值。在公布的日本專利申請2000275469中公開了一種類似的方法。
發明內容
本發明的一個目標是提供一種方法和設備用於測量光纖的模場直徑(MFD)以用在各種接合過程中。
本發明的另一個目標是提供一種非侵入式或非破壞式的方法和設備用於測量光纖的模場直徑。
因而，通常非破壞性地測定MFD的一種被動方法是基於仔細分析光纖的熱圖像的光強度分布以提取MFD上的信息。該方法由實驗結果支持。該方法可以用來例如提高對自動化熔化接合器的接合損失估計。
當用電弧或者更準確地說是輝光放電加熱光纖時，產生所謂熱圖像的光成像系統可以觀察到從光纖纖芯及覆層熱輻射出的光。因為光纖纖芯中攙雜劑的濃度遠高於覆層中攙雜劑的深度，從光纖纖芯射出的光產生了熱圖像的光強度分布中的波峰結構。當攙雜劑擴散出光纖纖芯時在纖芯圖像中看到的纖芯的寬度顯著增大。對給定的或所考慮的光波長來說該波峰寬度的增加與光纖的模場直徑(MFD)的擴大高度相關。可以對任意給定類型的光纖在精心規定的熔化條件下用實驗測定這種相關。由此，通過重新構造熔化條件，通過分析熱圖像就能夠測定熔化過程中光纖的MFD對波長的動態變化。
因而，為了測定光纖的模場直徑，通常可以使用一種標準的自動熔化接合器，包括光纖支架、對該支架上所支撐的光纖的一部分進行加熱的加熱器；以及在光纖被支撐和加熱時捕獲光纖所述部分的圖像的照像機。有一個圖像處理裝置連接到該相機以處理由該相機捕獲的圖像。
該圖像處理裝置被安排成測定捕獲的圖像中光纖纖芯圖像的寬度，因此它包括一個寬度測定模塊。這個模塊包括一個縱向強度分布測定部件，用於從熱圖像測定沿著對應於光纖纖芯的圖像區域的縱向強度分布，該模塊還包括一個與縱向強度分布測定部件相連的加熱中心測定部件，用於從縱向強度分布測定熱圖像的加熱中心的位置。這裡加熱中心是受熱區域的中心，例如在那裡加熱最強或者溫度最高。例如，可以安排加熱中心測定裝置測定加熱中心的位置為縱向強度分布具有最大值的點。此外，橫向強度分布測定部件與加熱中心測定部件相連以從熱圖像測定沿著穿過加熱中心圖像的一條線的橫向強度分布，這條線實際上垂直於光纖的縱向。最後，有一個寬度測定部件與橫向強度分布測定部件相連，用於從橫向強度分布測定熱圖像中纖芯圖像的寬度。
模場直徑測定部件與圖像處理裝置相連以從測定出的光纖纖芯的寬度測定光纖的受熱區域的模場直徑。
有利的是，模場直徑測定部件可以包括曲線擬合部件，用於擬合測定的橫向強度分布為一個函數，該函數是至少兩個相似的有峰值的函數之和，還可以包括曲線測定部件或最大比較部件與曲線擬合部件相連，用於採用該至少兩個相似的函數中有最高的最大值的那個來代表光纖纖芯的圖像，所述至少兩個相似的函數有最佳擬合。然後，寬度測定部件被安排成從所述在該至少兩個函數中採用的那一個函數裡測定出光纖纖芯圖像的寬度。該函數在優選情況下可以是至少兩個高斯型函數之和，並且如果需要的話再加上一個常數。這種情況下寬度可被測定為該至少兩個高斯型函數中所採用的那一個的標準偏差或半值寬度。
在第一種選擇中，模場測定部件可以包括一個資料庫，它包括一張使光纖纖芯的寬度和模場直徑相關的表。在第二種選擇中，模場測定部件可以轉而包括一個計算部件，用來根據為光纖所屬的光纖類型單獨確定的算法從光纖纖芯的寬度值計算光纖的模場直徑。
在下面的描述中將會闡明本發明的附加目標和優勢，從描述中將部分明了它們，或者將從本發明的實踐中學習到它們。通過在所附權利要求中特別指出的方法、過程、工具及組合可以實現並獲得本發明的目標和優勢。
儘管在所附權利要求中特別闡述了本發明的新特性，但考慮下文中參考附圖所作的對非限制性實施例的詳細描述可以獲得對本發明(既對組織也對內容)以及其中的上述和其它特性的完整理解並更好地理解本發明，在附圖中-圖1是以1550nm波長對兩個正交方向測量的SMF28光纖的MFD的圖表；-圖2是SMF28光纖的MFD為加熱持續時間的函數的圖表；-圖3a是SMF28光纖的熱圖像的照片，這些熱圖像是在兩個彼此位於對方之上的正交方向上獲得的，並且照片中繪出了縱向上的光強度分布圖；-圖3b是與圖3b類似的照片，其中繪出了橫向上的光強度分布圖；
-圖4a是與圖3a類似的照片；-圖4b是與圖4a類似的在熔化電流為11mA的電子輝光放電中加熱三分鐘的SMF28光纖的照片；-圖5是從圖4a和4b的照片獲得的橫向上的光強度分布圖；-圖6是SMF28光纖纖芯寬為加熱持續時間的函數的圖表；-圖7是SMF28光纖的MFD是纖芯寬度的函數的圖表；-圖8是示出了在測定光纖的MFD中執行的一般步驟的流程圖；-圖9a是用於熔化-接合兩條光纖到彼此並可用於加熱單個光纖的設置的示意圖；-圖9b是與圖9a中類似的示意圖，還示出了電子控制電路的一些部件。
具體實施例方式
已知加熱光纖會導致像鍺這樣的攙雜劑從光纖纖芯擴散到光纖的覆層中，這會增大光纖的MFD。MFD的增大率不僅取決於纖芯中的攙雜劑濃度和成分，還取決於加熱溫度、加熱時間和加熱範圍。增大MFD的有效方法包括使用氧氣或氫氣的火焰技術以及使用電子輝光放電或雷射束的熔化技術。
在這裡所描述的方法中，光纖由一對電極間產生的電子輝光放電直接加熱。特別地，在由Ericsson製造的熔化接合器FSU995中已經使用了該加熱技術。在圖9a中示出了典型的自動光纖接合器的基本設置。兩根光纖1、1』的終端區域位於電極3的點之間，在它們之間產生了電子放電5以加熱光纖末端，電子放電的強度由電極3之間的電流強度控制。由透鏡7表示的光學系統在兩個正交方向上描繪出了相機(例如攜帶CCD元件的底片)的光敏感區域9上的光纖末端區域，來自正交方向的光由鏡子11偏轉並在光合併設備或分束器13中被合併。數字成像處理系統15接收並處理來自光敏感區域9的電子信號並由此通過控制光纖定位設備和電極電流的強度而監控所用的光纖和接合過程。圖像處理系統與監控或顯示元件17相連以(如)顯示該兩個圖像。因而，如該圖所示，所顯示的圖片能夠示出在兩個正交方向上看到的光纖末端之間的接合位置、該兩個視圖彼此位於對方之上。
在圖9b的示意圖中示出了自動類型的光纖接合設備的更多一些電子細節。因而，該接合設備有夾具或止動器21，在定位和接合期間光纖1、1』的末端部分被放在其中並保持穩固。止動器可以在三個正交坐標方向上行動，一個平行於光纖的縱向，兩個垂直於這個方向。止動器21因而由控制電機23沿著適當的機械引導(未示出)移動。到電極3和電機23的電子線路是從電子電路模塊25之中分別從驅動電路27和29延伸出來的。從TV相機9配置了一條電子線路到電子電路模塊25中的視頻接口31，從這裡傳輸適當的圖像信號到圖像處理和圖像分析部件15。各種程序步驟由控制電路33(例如適當的微處理器)控制。控制電路33執行上述程序步驟並因而通過在適當的位移方向上激發電機23而控制光纖末端相對於彼此的位移，提供信號給圖像處理和圖像分析部件15以啟動對獲得的圖像的分析。此外，控制電路33控制開始提供熔化電流給電極5的時間、輸送這個電流的時間周期以及該電流的強度。
當光纖1、1』由電子輝光放電5加熱時，從受熱的光纖部分以及空氣放電放射出的熱輻射可以用視頻相機9觀察到並用接合設備的數字圖像處理系統15進行分析。因為觀察到的光強度分布與光的放射直接相關並且最大放射來自溫度最高的區域，即主要是輝光放電區域，尤其是放電中的特定固體目標，因而通過觀察並仔細分析光強度分布可以獲得輝光放電的位置以及它的移動上的信息。
圖9a和9b的熔化接合器可以很好地等效用於局部加熱單個光纖。將光纖放置在止動器21中以使要加熱的光纖區域位於止動器之間並且位於電極3的點之間，這個位置也稱為接合位置。
對單個光纖，能夠觀察到熱圖像的有效的熔化區域沿著光纖軸的長度為300μm。熔化區域內的溫度由熔化電流決定，熔化電流通常是6～16mA，對應的熔化溫度約1200～2000℃。實驗中所用的光纖是標準單模光纖(SMF)，由Corning製造的SMF28TM。保持光纖上的張力不變，即在熔化過程中不拉伸或推擠光纖，推擠意味著光纖在它的軸向上被壓縮，如在正常的熔化接合中會產生「重疊」。為了消除會影響MFD測量的附加因素的影響，例如覆層變形、光纖的幾何變化(如纖芯的中心和覆層之間距離的變化)、同心度誤差、偏離圓形形，對不同的熔化電流(即對不同的熔化溫度)和不同的熔化時間(即為熔化過程而產生的不同的加熱持續時間)測量MFD。發現對相對較長的熔化時間，如最長達5分鐘，小於11mA的熔化電流不會導致纖芯和覆層的任何顯著變形。因此，除非特別說明，否則就已經在實驗中使用了11mA的這個熔化電流。
在上述實驗條件下，已經研究了MFD擴大與熔化時間的相關性。要測試的光纖的MFD由TNF方法用折射率分布和幾何掃描儀EXFONR9200測量，該方法涉及在受熱區域的中心切割局部受熱的光纖。下文中將討論測定加熱中心的技術。圖1示出了沿著垂直於初始的SMF28光纖的縱軸的線發出的波長為1550nm的光的強度變化的一個典型例子。已經根據Petermann-模式(見1992年的CCITT G.650，「Definition and test methods for the relevant parameters ofsingle-mode fibers」)以及高斯模式計算計算出了MFD，根據這兩種方法給出的值分別為約10.97μm和9.83μm。為方便起見，下面將用高斯-模式計算MFD。
圖2示出了MFD擴大與熔化時間的相關性。測量出的MFD被繪製成熔化時間的函數。已經測量了18個樣本。每個數據點的值是通過對從三個不同樣本取得的數據取平均值而得到的。還繪出了對應的誤差條示出測量的數據的標準偏差。測量誤差主要是由於在切割光纖中缺乏精度以及所用掃描儀的系統誤差而造成的。
從圖2中可以清楚地觀察到MFD隨著延長熔化時間而增大。在加熱處理5分鐘後MFD約增大35％。為了定量地測定MFD擴大的熔化時間相關性，已經用一階回歸線對測量數據進行了擬合，見圖2中所繪的實線。在這個例子中可以看到MFD幾乎隨著增加熔化時間而線性增加。其關係可以近似如下MFD＝0.7506t+9.9186 t≤5min(1)其中t是以分鐘表示的熔化時間，MFD 以μm測量。必須注意到如果使用不同的加熱條件MFD擴大可能會有完全不同的行為。已經有報告說當使用加熱範圍為5-14mm的丙烷/氧氣焰微燈時可以獲得MFD隨時間的拋物線增長，見IEEE Photon.Technol.Lett.，Vol.4，pp.1390-1391，1992，M.Kihara，S.Tomita的「Loss characteristics ofthermally diffused expanded core fiber」。
為了提取與MFD擴大相關的信息，已經採用了熱圖像。熱圖像是通過在加熱過程中檢測光纖的熱光輻射而獲得的。它是用裝備了CCD-相機和數字成像處理器的光學成像系統完成的。發現獲取熱圖像的最佳熔化條件是12mA的放電電流以及2秒的熔化時間。這些條件確保能夠獲得多個高質量圖像而不會引起額外的MFD擴大。因此，在加熱處理的結尾，為最佳熔化條件施加額外的熔化過程以提取MFD上的信息。
圖3a和3b示出了自初始SMF28光纖的兩個正交觀察方向獲取的典型的熱圖像。還繪出了橫向和縱向上纖芯圖像的光強度分布，分別見圖3a和3b中的虛線。圖3a和3b中的實線示出了從圖像中提取纖芯圖像的光強度分布圖的位置。圖3中示出的光強度分布圖的最大值明顯地指示加熱中心的位置，它用來確定加熱中心的位置以切割TNF測量中所用的光纖。在圖3b中，纖芯圖像的橫向分布示出了在纖芯的中間附近升起的波峰結構。這是因為纖芯中攙雜劑的濃度明顯高於覆層中的濃度。
觀察到該波峰結構的寬度隨著增加熔化時間而顯著增加。圖4a示出了自初始光纖取得的熱圖像，圖4b示出了自以11mA的熔化電流加熱了3分鐘之後的該光纖取得的熱圖像。可以清楚地看到纖芯圖像的寬度(即熱圖像中間的亮白區)在3分鐘的加熱處理後變得寬多了。
為了獲得對纖芯圖像的寬度隨著加熱時間的增加而擴大的定量理解，從這兩個視圖中提取纖芯範圍附近的光強度分布圖。該分布圖由所謂的卡方(chi-square)χ2擬合過程用Levenberg-Marquardt方法(瑞典D.W.Marquardt，Journal of the Society for Industrialand Applied Mathematics，Vol 11，pp.431-441，1963)進行去卷積。這裡，假定光強度分布是高斯函數(Gaussian)加上固定的噪音背景的重疊。擬合結果的質量由最小化X2-特徵(merit)函數評定2=i=1N[yi-y(xi;ak,bk,ck,d)i]2---(2)]]>對每個測量的數據點(xi，yi)，對應的標準偏差是бi，它是由 估計出的，其中yi(xi；ak，bk，ck，d)表示M個高斯函數的和，ak、bk、ck和d是自由擬合參數，N是為分析而採用的數據量。擬合函數、M個高斯函數的和以及噪音背景d由下式給出
y(xi;ak,bk,ck,d)=k=1Makexp[-(xi-bkck)2]+d---(3)]]>圖5示出了在垂直於光纖軸的方向上獲得並從圖4a和4b的照片中提取的光強度分布(從圖4a獲得的光分布由實心圓表示，從圖4b獲得的光分布由實心三角形表示)，為光纖圖像中心約50個像素範圍測定的光強度分布，也稱為分布圖。在圖5的圖中觀察到纖芯圖像的光分布被疊置在不對稱背景之上。不對稱背景的貢獻主要由光系統中的反射光形成。在圖4a和4b中可以觀察到反射光的現象，見接近光纖圖像視圖底邊的白色區域。這個不對稱貢獻引起了波峰右側的肩形結構，見圖5。為了減去這個貢獻，由三個高斯函數(M＝3)加上一個恆定的噪音背景對數據進行去卷積。為了更容易比較，由強度的最大值對數據進行標準化。還繪出了擬合結果，見圖5中實曲線所指示的圖。只從受熱的纖芯獲得的光分布可以看作是有最大峰值的高斯函數。纖芯圖像的寬度可以確定為這個高斯函數的某個寬度測量，例如標準偏差或半值寬度。圖5中可以清楚地看到纖芯圖像的寬度隨加熱周期的延長而顯著增加。發現纖芯圖像的寬度從6.8個像素擴大到8.4個像素，對應於3分鐘加熱處理後擴大了約24％。
在圖6中，繪出了纖芯圖像寬度擴大與熔化時間的相關性。由實心圓表示的每個數據點包括在兩個方向上從三個樣本獲取的六個圖像。用一階回歸線對數據進行了擬合。再次發現纖芯圖像寬度隨熔化時間增加而線性增加，可以表示如下W＝0.5358t+6.8610 t≤5min(4)其中t是以分鐘表示的時間，W是以像素表示的寬度。測量的不確定性由標準偏差給出。還繪出了測量的對應誤差條。不確定性主要歸因於由於「弧移動」而導致的放電不穩定性，這是由沉積在電極表面的矽石微粒的動態變化而引起的一種現象。「弧移動」對測量的影響可由稱為「弧重回中心」的技術減到最小，該技術可見國際專利申請號PCT/SE01/01018，發明人黃衛平等。當然對每個樣本採用多個熱圖像並利用數字圖像處理技術也可提高圖像質量並抑制測量的不確定性。
圖7示出了MFD和纖芯圖像寬度W之間的關係。測量的數據(見圖7中的實心圓)是從圖2和圖6的圖中提取的。為閱讀方便起見，像素單位被轉換成了μm。對該成像系統來說轉換係數是1.5。為了闡明這個關係，用一階回歸線對數據進行了擬合，見圖7中的實線。該關係如下MFD＝0.9336W+0.3108 t≤5min(5)可以立刻發現MFD擴大和纖芯圖像寬度擴大之間的強線性相關。該相關表明MFD隨熔化時間的動態變化信息可以通過監控熱圖像中纖芯圖像寬度的對應變化而直接獲得。
對於SMF28光纖，公式(5)所示的相關性相對簡單一些。MFD的擴大和纖芯圖像寬度的擴大幾乎在同一量級上。但是，對不同類型的光纖相關性可能完成不同，例如展示為非線性相關性。由於光纖纖芯中不同的攙雜劑成分和濃度，對不同類型的光纖提取MFD信息的最佳熔化條件也可能變化。因此，為了開發出被動測定MFD的通用方法，必須在實驗室中對所有類型的光纖單獨研究相關性和熔化條件。因而，可以對市場上現有的主要類型的光纖研究相關性和最佳熔化條件，例如標準SMF、下壓覆層光纖(DCF)、色散移位光纖(DSF)、多模光纖(MMF)和攙鉺光纖(EDF)等。在這種研究之後，可以用測量結果構造一個資料庫以支持MFD檢測的自動化過程。
圖8的流程圖示出了上述用於自動化熔化接合器的被動測定MFD的通用過程的步驟。使用該過程，由處理器邏輯電路33控制，見圖9b，在第一步81請求用戶輸入要加熱或觀察的光纖屬於哪種類型並且用戶輸入類型。在第二步從資料庫訪問最佳熔化參數並啟動電極3之間的電子輝光放電。在熔化過程中對最佳熔化參數獲取多個熱圖像，如三個。圖像處理和分析部件15分析熱圖像在縱向和橫向上提取纖芯圖像分布。提取纖芯圖像的縱向強度分布以確定加熱中心所處位置，然後分析橫向強度分布以獲得纖芯圖像寬度的信息。通過適當地模型化纖芯圖像的橫向強度分布，例如用公式(2)和(3)，得到纖芯圖像的寬度。根據光纖類型信息，從資料庫調用所考慮的光纖的MFD和纖芯圖像寬度之間的對應相關性。從其中計算和確定MFD。
圖9b中還可看到基本上是由一個或多個合適的處理器執行的邏輯塊並為該處理所要求的部件。圖像處理和分析部件15因而包括用於測定纖芯圖像寬度的部件35。這個測定部件包括用於測定縱向光強度分布的部件36、用於測定加熱中心的部件37、用於測定橫向光強度分布的部件38以及寬度測定部件39。寬度測定部件包括用於曲線擬合的部件41，進行一些曲線擬合過程，如上面概述的使用適當的模型函數像上述高斯函數和常量的和的卡方方法，用於選擇適當的曲線尤其是包含在用於寬度測定的複合模型曲線中的曲線的曲線決定部件42以及用於從所選擇的擬合的模型曲線包括的曲線測定寬度的部件43。測定出的寬度值被提供給處理器邏輯電路33，提供給其中包括的部件45用於測定與測量出的寬度對應的MFD。MFD測定部件可以用寬度值作為資料庫49中表47的輸入以從中獲得對應的MFD值。如果在該表中找不到該寬度值，可以訪問相鄰的寬度值以及它們的對應MFD並由內插部件51計算與處理和分析部件15提供的寬度對應的MFD。可替代地，不需要使用該表，MFD測定部件可以包括一個計算部件53，用該寬度作為為受熱光纖所屬類型確定的算法55的輸入值而計算出MFD。
這裡公開的方法的直接應用之一包括對自動化熔化接合器中進行的接合損失估計的改進。在大多數自動化熔化接合器中使用了一種接合損失估計的被動方法。在過去二十年中已經研究並開發出了估計接合損失的不同模型。眾所周知的接合損失估計理論是butt-joint理論(見1977，Bell Syst.Tech.J.，Vol 56，pp.703-718，D.Marcuse「Loss Analysis of single-mode fiber splices」)以及微變形損失理論和/或模式耦合理論(見Proc.Int.SPIE』91Conf.，Boston，MA，Vol.1580，pp.380-391，1991，W.Zheng「Lossestimation forfusion splices of single-mode fibers」和J.Lightwave Technol.，Vol.12，pp.430-435，1994，W.Zheng，0.Hultén和R.Rylander「Erbiμm-dopedfibersplicing and splicelossestimation」)。因而總的接合損失LT可根據不同損失機制估計如下LT＝Lbutt-joint+Lcore-misaligment+Lcore-deformation+Lindex-variation+Lmacro-bending(6)其中，Lbutt-joint，Lcore-misalignment，Lcore-deformation，Lindex-variation和Lmacro-bending分別由MFD失配、纖芯未對準、纖芯變形、折射率變化和光纖的宏彎曲引起。表示如下
Lbutt-joint=20logw12+w222w1w2---(7)]]>Lcore-misaligment=Fd{,w,a,b,n1,n2,}d2w2---(8)]]>Lcore-defotmation=F{,,w,a,b,n1,n2}2w2---(9)]]>Lindex-variation=Fi{i(z,I),w,a,b,n1,n2}k2w2---(10)]]>其中w1和w2是正在接合的兩根光纖的模場半徑，w(MFD＝2w)是光信號所來自的光纖的模場半徑，d是熔化之後的纖芯偏移，δ是纖芯微彎曲幅度，γ是微彎曲下降速率，k＝2π/λ是波數，λ是波長，n1和n2是折射率。折射率函數i(z，I)是沿著光纖軸的z-坐標和不連續性I的階梯函數。a和b分別是纖芯和覆層的半徑。
Lbutt-joint是具有不同MFD的兩根光纖之間的固有接合損失，Lcore- misaligment和Lcore-deformation損失主要由兩根光纖的對準不準確、光纖質量差(例如覆層對纖芯的高偏心率、光纖嚴重偏離圓形等)、光纖製備過程中獲得的劈角差、對準之後的嚴重覆層偏移以及熔化過程和/或熔化參數的不當選擇引起。Lindex-variation損失代表由於熔化期間纖芯-攙雜劑的嚴重擴散導致的折射率分布的變化。宏變形損失Lloss-bending主要由因為在光纖的剝離的表面上施加的不當壓力以及光纖表面上和/或過程中用於支撐光纖的V型槽上殘餘的大面積微塵產生的光纖的不完全縱向對齊而導致。
除了Lmacro-bending之外，大部分損失機制都是MFD的函數。因此，對MFD的了解對於進行準確的損失估計非常重要。不幸的是，由於MFD根據不同的熔化過程和光纖組合而動態變化，在熔化過程中難以獲得對MFD的直接了解。實踐中，通常考慮最終的MFD為模型計算中的自由參數，但根據接合損失的主動測量手工優化用於模型計算的適當的MFD值。主要由於技術原因以及涉及的接合過程相當複雜，對用於估計計算的MFD值的優化非常難且耗時，或許只能由非常有經驗的操作員來完成。
使用這裡所公開的方法，還可以觀測到熔化過程中MFD的動態變化。由此，可以動態地監控MFD的變化。接合後檢測到的MFD的最終值可以直接用於損失估計。因而可以避免手工優化MFD值這項乏味而複雜的工作。
儘管這裡已經闡明並描述了本發明的具體實施例，但應該認識到本領域的技術人員將會很容易想到眾多額外的優點、更改和變化。因此，本發明在它的廣義方面並不限於這裡所展示並描述的具體細節、代表性設備和所示出的例子。因此，在不偏離由所附權利要求定義的通用發明概念及它們的等效物的精神和範圍的前提下可以進行各種不同的改動。因此應該理解想要由所附權利要求覆蓋落在本發明真正的精神和範圍內的所有這種改動和變化。
權利要求
1.一種測定光纖的模場直徑的方法，其特徵在於下列步驟-加熱該光纖的一個區域，-捕獲該光纖的該區域的熱圖像，-從該熱圖像測定沿著與該光纖纖芯對應的圖像區的縱向強度分布，-從該縱向強度分布測定該熱圖像的加熱中心，該加熱中心對應於受熱區域的中心，-從該熱圖像測定沿著穿過受熱中心的圖像的線的橫向強度分布，-從該橫向強度分布測定該熱圖像中纖芯圖像的寬度，以及-從測定出的寬度獲得該光纖的模場直徑。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於在測定加熱中心的子步驟中，加熱中心的位置被測定為縱向強度分布有最大值的點。
3.根據權利要求1的方法，其特徵在於獲得模場直徑的步驟包括下列子步驟-擬合測定出的橫向強度分布為一個函數，該函數是至少兩個類似的有峰值的函數之和，-採用該至少兩個類似函數中有最高的最大值的那一個來代表光纖纖芯圖像，以及-從所述在該至少兩個類似函數中採用的那一個測定出纖芯圖像的寬度。
4.根據權利要求3的方法，其特徵在於在擬合子步驟中，所採用的函數為至少兩個高斯函數之和。
5.根據權利要求4的方法，其特徵在於在測定寬度的子步驟中，所述寬度被測定為標準偏差或半值寬度。
6.根據權利要求3的方法，其特徵在於在擬合子步驟中，所述函數是至少兩個類似的有峰值的函數和一個常量之和。
7.根據權利要求1的方法，其特徵在於在獲得模場直徑的步驟中，模場直徑是從一個資料庫獲得的，該資料庫包括一張使捕獲的圖像中光纖纖芯的寬度與模場直徑相關的表。
8.根據權利要求1的方法，其特徵在於在獲得模場直徑的步驟中，模場直徑是通過根據為光纖所屬的光纖類型確定的算法從光纖纖芯的寬度值計算該光纖的模場直徑而獲得的。
9.根據權利要求1的方法，其特徵在於對光纖加熱不同的持續時間和/或加熱到不同的溫度，並且對每個加熱實例捕獲熱圖像，在熱圖像中測定寬度並測量模場直徑，以產生寬度和模場直徑的相關值，這些相關值用在從寬度獲得模場直徑的過程中。
10.根據權利要求9的方法，其特徵在於模場直徑是用發射近場方法測量的。
11.根據權利要求9的方法，其特徵在於確定模型函數的參數，使得適合確定出的參數的模型函數匹配所述相關值，並且該模型函數用在從寬度獲得模場直徑的過程中。
12.一種估計兩根光纖的熔化接合中的接合損失的方法，其特徵在於在熔化操作的末尾，獲取接合區域處兩根光纖末端的熱圖像，測定所述熱圖像中光纖末端的纖芯的寬度，根據權利要求1從所述寬度中獲得接合處光纖末端的模場直徑，並且用獲得的模場直徑估計接合損失。
13.根據權利要求12的方法，其特徵在於接合損失被估計為下列中的一個或多個-碰撞-連接損失，-纖芯未對準損失，-纖芯變形損失，以及-折射率變化損失。
14.一種用於測定光纖的模場直徑的設備，其特徵在於-光纖支架，-用於加熱由支架所支撐的光纖的一部分的加熱器，-用於光纖被支撐並加熱時捕獲所述光纖的所述部分的圖像的相機，-與相機相連用於處理由相機捕獲的圖像的圖像處理裝置，該圖像處理裝置包括寬度測定模塊，用於測定捕獲的圖像中光纖纖芯圖像的寬度，該寬度測定模塊包括-縱向強度分布測定部件，用於從熱圖像測定沿著與光纖纖芯對應的圖像區域的縱向光強度分布，-加熱中心測定部件，與縱向強度分布測定部件相連，用於從縱向光強度分布測定熱圖像中加熱中心的位置，加熱中心對應於受熱區域的中心，-橫向強度分布測定部件，與加熱中心測定部件相連，用於從熱圖像測定沿著一條穿過加熱中心的圖像的線的橫向光強度分布，和-寬度測定部件，與橫向強度分布測定部件相連，用於從橫向強度分布測定熱圖像中纖芯圖像的寬度，-模場直徑測定部件，與圖像處理裝置相連，用於從所測定的光纖纖芯的寬度測定光纖受熱區域的模場直徑。
15.根據權利要求14的設備，其特徵在於加熱中心測定部件被安排成測定加熱中心的位置為縱向強度分布有最大值的點。
16.根據權利要求14的設備，其特徵在於模場直徑部件包括-曲線擬合部件，用於擬合測定的橫向強度分布為一個函數，該函數是至少兩個類似的有峰值的函數之和，-曲線測定部件，與曲線擬合部件相連，用於從該至少兩個類似函數中採用有最高的最大值的那一個來代表光纖纖芯的圖像，所述至少兩個類似函數之和有最佳擬合，和-寬度測定部件，被安排成從所述在至少兩個類似函數中採用的那一個測定纖芯圖像的寬度。
17.根據權利要求16的設備，其特徵在於曲線擬合部件被安排成採用一個是至少兩個高斯函數之和的函數。
18.根據權利要求17的設備，其特徵在於寬度測定部件被安排成測定寬度為該至少兩個高斯函數中所採用的那一個的標準偏差或半值寬度。
19.根據權利要求16的設備，其特徵在於曲線擬合部件被安排成採用該函數為所述至少兩個類似的有峰值的函數和一個常量之和。
20.根據權利要求14的設備，其特徵在於模場測定部件包括一個資料庫，該資料庫包括一張使光纖纖芯的寬度和模場直徑相關起來的表。
21.根據權利要求14的設備，其特徵在於模場測定部件包括一個計算部件，被安排成根據為光纖所屬的光纖類型確定的算法從光纖纖芯的寬度值計算其模場直徑。
全文摘要
當光纖(1，1』)由電極(3)之間產生的電子放電加熱時，從光纖的纖芯和覆層發射出的熱光輻射形成了一個可以由光學成像系統(9，15，17)觀察到的熱圖像。因為纖芯中的攙雜劑濃度遠遠高於覆層中的攙雜劑濃度，從纖芯射出的光導致了熱圖像的光強度分布圖中的波峰結構。當在例如加熱光纖中攙雜劑從纖芯中擴散出時纖芯圖像的波峰寬度顯著增大。發現波峰寬度的增大與光纖的模場直徑(MFD)的擴大高度相關。可以在精心規定的熔化條件下對任意給定類型的光纖用實驗測定這種相關性並用來通過觀察熱圖像中的波峰寬度而產生對MFD的測量。MFD的測定可用於提高光纖接合中的損失估計的質量。
文檔編號G02B6/255GK1720472SQ200380105272
公開日2006年1月11日 申請日期2003年11月28日 優先權日2002年12月4日
發明者黃衛平, T·阿德貝克 申請人:艾利森電話股份有限公司