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采用新的自动熔接时间控制系统 有效改进光纤纤芯对准式熔接机的熔接质量
浏览: 发布日期:2018-03-16 11:58:41

  摘要:熔接机用于连接光纤,其接头损耗小,并保持接头长期稳定。每个特定的接头损耗都依赖于某个特定的条件,比如光纤准备的质量、接续参数、光纤自身的结构以及光纤加热后的变化等等。本文描述了一种用于具有图像处理的光纤纤芯对准式熔接机的新的自动熔接时间控制技术。该新技术弥补了光纤加热时的变化,降低平均接头损耗高达60%,减少接续失败率高达70%。此外,还可以采用该技术,得到精确的衰减接头。

  关键词:光纤、熔接机、纤芯对准系统、轮廓对准系统、自动熔接时间控制、衰减接头

  1、介绍

  加热熔接法是当今连接光纤的标准方法。目前有两种主要的技术可以提供高质量的接头。

  基于光注入探测系统LID(Local Injection and Detection)单元的弯曲耦合器将光从接头的前端注入光纤,并在接续点后端检测它[1],[2]。该方法不仅提供了可靠的接头损耗的测试,还同时允许在接续过程中监视实际的接头损耗。因此,在此基础上,有可能采用实时处理控制系统,来得到很小的接头损耗。这种系统叫做自动熔接时间控制(AFC)系统,它在接头损耗最小时精确地停止熔接进程。

  另一种技术叫光纤纤芯对准系统(CDS),有时也叫轮廓对准系统(PAS),它采用一种特殊的光学系统使光纤纤芯可见,在熔接完成后,可以通过分析纤芯的形状来估算接头损耗(3)(4)。遗憾的是,在熔接正在进行的过程中,电弧光和炽热的光纤都非常明亮,从而导致摄像机芯片的饱和。因此,和LID系统相比,直到现在也不可能对PAS系统接头过程实时控制。

  接头质量主要依赖于熔接过程中光纤加热情况。电极污染和电极磨损能引起电弧位置和温度的变化。光纤加热还依赖于光纤在电弧内的位置和大气压。熔接过程中主要的机理是已熔化的玻璃表面张力将会有自动定心效应。特别是熔接偏心光纤时,如果光纤加热和熔接时间不好的话,自动定心效应会满足光纤外层的对准而满足不了纤芯之间的对准,从而引起纤芯之间的错位。

  如上所述,光纤加热时的变化不能完全避免,这些变化主要使偏心光纤的接头损耗变大。如果选择了不合适的熔接参数,也会出现同样的问题。因此,采用一种自动熔接时间控制系统,来补偿上述所有影响,并且还能找出每个独立接头的优化熔接时间,这种系统对接续是很有帮助的。

  在上述系统的基础上,采用LID系统单元,它根据LID级别自动控制熔接时间,这似乎是一种较好的解决办法。遗憾的是,有一些带有遮光涂料的涂层或涂层很厚的特殊光纤,不能在本地注入光或检测到光,因此不能采用LID来控制熔接时间。

最好、价格昂贵的办法是将LID系统单元和CDS组合在一台熔接机内。本文介绍一种用CDS系统控制熔接时间的更经济有效的解决办法,这样,我们就可以克服纤芯对准系统的一个主要缺点。

  2、常用的纤芯对准系统

  现代的熔接机使用一些技术来实现高质量的接续。常用的纤芯对准式熔接机具有特殊的光学系统,它含有通过两条光线照射使纤芯可见的系统。它还用一种三向定位系统,可以对准纤芯而实现低的接头损耗。在熔接完成后,对图像进行分析,然后通过纤芯的形状来计算出接头损耗。

  然而在熔接过程中,光纤被加热到1700~2000℃,这时,光纤发出热幅射和可见光,可见光的亮度足以饱和摄像机芯片,这样,导致了既不能在显示屏上看到光纤,也不能在图像中检测到光纤。因此,微处理器得不到用于计算得出光纤实际位置的反馈信号。然而找出光纤实际位置对现场进程控制是很必要的。图1给出了常用的纤芯对准熔接机在热熔电极开启时的典型的光纤图像。

  用一种临时减少熔接中电弧电流的办法可以克服上述问题,这样可以进行图像分析。但是电弧电流的减少会同时导致光纤受热程度的减少,这也会影响接续质量。除此之外,这种方法还不是实时控制的方法。

按此在新窗口浏览图片 图1.常用的纤芯对准熔接机在热熔电极开启时的典型的光纤图像

  3、AFCi:由图像控制的自动熔接时间控制系统(Automatic Fusion time Control by image)

  3.1光学装置原理

  我们提出一种新型CDS熔接机,它是根据一根发光光纤发射出的光的光谱宽度比用于照亮光纤的光电二极管LED的光谱宽度要大的原理,因此,我们用一个窄带干扰滤波器来滤掉发热光纤发出的光而让发光LED的光通过滤波器几乎不受任何影响。安装这种装置后,在整个接续过程中,光纤就一直清晰可见了。

按此在新窗口浏览图片 图2.发热光纤的光谱,发光二极管以及窄带干涉滤波器的传输光谱

  发热光纤的发射光谱和照明发光二极管的发射光谱如图2所示,热光纤发射出从可见光到红外光这种很宽的光谱,而LED光谱相对来说就很窄,摄像机芯片在整个可见光波长范围内都很敏感。光纤图像的亮度是由光谱在整个可见光波长范围内的积分来决定的,在我们举的例中,虽然LED光谱的波峰强度要大一些,但是光纤发射光的积分是LED光谱积分的2倍,结果造成光纤图像由于光纤发光而被照亮。

  图2中也画出了一种较合适的窄带的滤波器的光谱。该滤波器有一个和发光LED一样的中心波长,但又比LED的光谱窄,大量发光光纤的光谱被滤波器过滤掉,因此,热光纤幅射也自然减少。所以,光纤的发光对光纤图像在成像片中的成像质量影响很小,同时,在整个接续过程中,光纤仍然清晰可见。

按此在新窗口浏览图片 图3.附带窄带干扰滤波器的光纤发光系统结构图

  这样,在发光LED的光通过系统时,能滤除发热光纤发出光。要用特殊的窄带干扰滤波器,才能过达到该装置所需的滤波器的性能。这些滤波器可以放在光纤和摄像机之间的任何位置,图3给出了光学装置的原理图。实际上,使用了两个以上的系统,一个被用于是X视图方向,另一个被用于Y视图方向。典型的兰色LED产生了较高的光学分辨率,照亮了光纤,并且,通过光学透镜系统将光纤图像传送到摄像机芯片上,熔接电弧加热光纤,而发光光纤的发射光被窄带干扰滤波器滤掉,因此,光纤在整个熔接过程中清晰可见。

按此在新窗口浏览图片 图4.在光纤熔接过程中,带窄带干扰滤波器的图象

  图4是用我们的新型光学系统进行熔接时的照片。图片左边是X视图,右边是Y视图。该照片是在电弧开启状态下拍摄的,光纤纤芯和光纤边缘都清晰可见,这样便于观察两根光纤相互之间的移动以及由于表面张力引起玻璃熔化时的流动状态。

  3.2进程控制

  为了连续地控制熔接进程,必须采用一种快速的运算方法。要达到真正的实时控制,估算的时间周期必须小于最小的熔接时间。在每一个周期内,每个光学视图的图像必须数字化。熔接时间的典型值大约3秒左右。但如上所述,光纤熔接时间随着光纤加热的变化而大大改变。那么,有必要缩短光纤熔接时间(缩短到半秒)。我们采用小于是100ms的时间周期,可以使熔接时间降到半秒。因此,我们的新型自动图像控制熔接时间系统AFCi的熔接时间是从0.5s到熔接时间的最大值。还必须考虑在熔化过程中光纤温度的影响,原则上,用窄带干扰滤波器不能滤掉热光纤的所有幅射,较高的光纤温度会使光纤图像更亮。为了测试AFCi 工作时光纤的温度范围,我们改变了熔接机的熔接电流。图5表示了不同熔接电流在一个特定的图像中的强度分布。一般熔接电流在14.5mA左右。我们的AFCi系统在整个熔接电流范围内工作,并能补偿光纤受热的变化,甚至能补偿最坏的条件下的变化。

按此在新窗口浏览图片图5.不同熔接电流下沿着图形柱的强度分布

  3.3 偏心光纤的接续

  当熔接偏心光纤时,由于光纤表面张力使光纤的几何参数变化,因此,由图像控制自动熔接系统有助于在优化时间点停止熔接进程。

  3.3.1 原理:“偏心光纤是指纤芯相对包层偏离了包层的中心。在按照光纤的边缘对齐时,纤芯之间并不匹配,与之相反,在光纤熔接在一起之间当纤芯对齐了,包层之间又对不齐了。熔接过程中熔化的玻璃不会减少对不齐出现的偏差,这是由于

  表面张力的影响,这就引起纤芯之间对不齐,从而造成接头损耗很大。所以,要开始熔接时需要有一个附加的纤芯偏差作参考(如图6a中所示),

  在熔接过程中,这个偏差随着边缘的对齐而连续地变小。图像控制自动熔接时间系统通过编程来实现了将熔接进程停止在纤芯对齐。以及接头最小的时候(图6b )。

按此在新窗口浏览图片  按此在新窗口浏览图片图6.熔接偏心光纤

  3.3.2 测试结果

  为了测试这种新式AFCi系统,我们将偏心光纤处于最坏情况的条件中,即当光纤边缘对齐时纤芯差1um,熔点电流在优化值14.5mA从-0.5mA+0.5mA变动,当遇到电极磨损和其它类似影响时,电流的变化范围。图7给出了用我们的新的带有图像控制的自动熔接时间控制系统检测,纤芯对准系统CDS熔接机的是典型的接续结果,并与一个固定熔接时间为3秒的常用分布式系统PAS熔接机的接续结果进行对比。用一台光时域反射仪来测出的接续得出的接续损耗。

  采用AFCi系统的熔接机接续,对100个接头采样,其平均接头损耗为0.03dB,由此可见,平均接头损耗最高可减少60%,而接头失败率也最多可减少70%。AFCi系统的标准偏差为2%,而PAS熔接方式则为6%。这些测试结果说明我们的这种新方法可以补偿光纤受热时甚至恶劣条件下的变化。

  3.4衰减接头

  我们的这种AFCi新系统的另一应用为产生衰减接头。这是一种专门预计了接头损耗的特殊接头。其主要的应用领域是模拟分配系统。要避免接收器信号溢出。必须要将输入信号的功率调节到接收器的动态范围内。各个用户线的不同,其衰减不同,这可以由匹配的衰减(损耗)接头来补偿它。

按此在新窗口浏览图片图8.衰减接头的光纤图象

  图8给出了一个衰减接头的光纤图像。它通过在一个光学方向上的一个特殊的纤芯偏差来达到需要的接头损耗。在图8中可清晰看到纤芯弯曲了,这主要是由于光纤熔化时的表面张力使光纤移动而引起的纤芯弯曲也影响接头损耗,并且在计算光纤偏差的最终结果时,必须给予考虑。在熔接电弧开始前,设定一个附加的结芯偏差(结合最终偏差)。当达到最终偏差时,AFCi系统停止熔接进程。如果需要的话,再给出并修正实际的接头损耗。衰减接头可能的衰减范围为0.1dB到10.0dB。

  4、结论

  本文介绍了纤芯(对准)系统(CDS)熔接机的图像自动控制熔接时间系统,在成像系统的光通路中,添加一个窄带干扰滤波器,使在整个熔过程中光纤都是可见的。同时,该系统采用了一种快速的图像处理算法,使实时控制熔接进程得以实现。测试结果表明,当熔接偏心光纤时接头损耗得到明显改善,除此之外,该方法可以用来做出精确的衰减接头。

  5、参考文献

  [1] R. Engel, “Device for coupling light into an optical wave-guide,” US Patent 5040866 (August, 1991).  [2] B. Zamzow, G. Ruegenberg, M. Anderson, H. Krupp, “High Quality fiber optic splices and significantly improved splice loss  [3] D. Marcuse, “Loss analysis of single-mode fiber splices,” The Bell Sys. Tech. J., 56(5), 703-718 (1977).  [4] B. Zamzow, G. Ruegenberg, M. Anderson, W. Knop, “Numerical simulation of high quality fiber optic splices for high precision loss evaluation,” Proc. 48th IWCS, 621-628 (1999).