專利名稱：基于圖像處理的接合損失估算的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于估計光纖之間形成的接頭中損耗的方法和設(shè)備，尤其涉及估計彼此相接以形成帶狀光纖的光纖之間接頭損耗的方法和設(shè)備。
在不斷發(fā)展的諸如互聯(lián)網(wǎng)、內(nèi)部網(wǎng)、有線電視等的電信業(yè)務(wù)中，需要一種容納大量單條光纖的光纜。盡管許多這種高光纖數(shù)光纜依然由分散或獨立的光纖組成，許多國家越來越多地使用每帶包括2至24條獨立光纖的帶狀光纖。這種光纖帶在設(shè)計和生產(chǎn)上的改進(jìn)與同時將一條帶狀光纖中所有獨立光纖與另一條帶狀光纖中各光纖相接合的方法(也稱作多路熔接技術(shù))在效率上的提高相結(jié)合，可顯著降低光纜安裝和修復(fù)的時間與費用。然而，在光纖之間形成的所有接頭中，經(jīng)過接頭在光纖中傳播的光波經(jīng)受電磁功率損耗，該損耗稱作接頭損耗。對于匹配包層光纖和壓低包層光纖，12條光纖的光纖帶中所有獨立光纖的接頭損耗平均值最低可達(dá)到0.02至0.04 dB，假設(shè)所用光纖具有很好的纖心到包層偏心，例如平均偏心小于0.2μm。
熔接中的損耗一般取決于因接合操作導(dǎo)致的光纖纖心變形，變形形狀和程度取決于光纖末端彼此對準(zhǔn)的精度以及熔接過程中的其它條件。配備數(shù)字圖像系統(tǒng)的自動單光纖熔接機(jī)能夠在接合之前在橫向和縱向上對準(zhǔn)光纖末端并控制熔解處理，參見W.Zheng的“用于光纖接合的電弧熔接實時控制”，1993年4月出版的《IEEE J.光波技術(shù)》11卷4期548-553頁，和W.Zheng、O.Hultén和R.Rylander的“摻鉺光纖接合和接頭損耗估計”，1994年3月的《IEEE.J光波技術(shù)》12卷3期430-435頁。然而，對于多路熔接機(jī)，各光纖的對準(zhǔn)尤其在縱向上的對準(zhǔn)要求非常復(fù)雜和精確的過程并且相當(dāng)浪費時間，參見Y.Kikuya、M.Hitohisa、K.koyabu和F.Ohira的“利用靜電力的光軸對準(zhǔn)”，1993年6月的《光學(xué)論文》18卷11期864-866頁，和M.Kubota、K.Yoshida、M.Mikawa和T.Morimitsu的“使用微型多路軸對準(zhǔn)設(shè)備為光纖熔接多路接頭”，1996年11月的《國際有線與電纜會議記錄》214-220頁。因此，在大多數(shù)多路熔接接頭機(jī)，中僅通過在固定V-凹槽中定位光纖被動地實現(xiàn)各光纖的橫向?qū)?zhǔn)。當(dāng)在熔接過程中光纖熔融玻璃的表面張力使光纖的外圓柱表面對準(zhǔn)時，不干凈的V-凹槽、剝離光纖裸露表面上的殘留微粒、彎曲光纖、光纖纖心相對于其外圍包層的高度偏離、不完美的裂開角度和不合適的覆蓋距離等將導(dǎo)致纖心的大變形。因此，確定光纖帶中每個獨立接頭的質(zhì)量是重要和不可缺少的。
已經(jīng)用許多年尋找確定帶狀光纖之間形成的接頭中各接頭質(zhì)量的合適方法，以替換費時和高成本的從光纖的遠(yuǎn)端即另一端的測量。在那些成果中，已經(jīng)廣泛使用電子成像系統(tǒng)和數(shù)字圖像處理技術(shù)。例如，已經(jīng)開發(fā)并在帶狀接頭機(jī)中實施的一種使用單向觀察(單視圖)圖像的方法，參見M.Miyauchi、M.Tachikura、T.Katagiri、M.Sato、A.Ide、T.Haibara和M.Matsumoto的“用于光纖帶的全自動和高速接頭機(jī)”，1989年9月的《IEICE學(xué)報》E72卷9期970-978頁。使用這種單視圖方法的光纖包層偏移的測量精度大約為1.3μm，參見A.Ide和M.Tachikura的“使用單向觀察圖像的光纖失準(zhǔn)測量方法”，1989年的《日本電子和通信》第二部72卷3期81至90頁。為提高精度，開發(fā)一種使用一個CCD照相機(jī)的雙視圖觀察系統(tǒng)以便在兩個垂直視圖中估計帶狀光纖圖像，參見H.Watanabe、Y.Toimoto和K.Oda的“用于12條光纖的光纖帶的光纖熔接接頭機(jī)”，1992年的《SPIE會報》1817卷的《光通信》23至29頁。對光纖包層偏移的測量分辨率報告為0.3μm，參見T.Onodera、H.Taya、T.Yamada和M.Yoshinuma的“具有精確接頭損耗估計的單模四光纖帶狀接頭機(jī)的研制”，1990年的《光學(xué)論文》15卷23期1406-1408頁，這比單視圖觀察方法好一個等級。為了觀察實際的纖心變形，而不是僅觀察包層偏移，已經(jīng)開發(fā)出雙光纖放大CCD成像系統(tǒng)，參見上面引用M.Kubota、K.Yoshida、M.Mikawa和T.Morimitsu的論文，“使用微型多路軸對準(zhǔn)設(shè)備的光纖熔接多路接頭”，1996年12月的《國際有線與電纜會議記錄》214-220頁，和K.Yoshida、M.Kubota和M.Mikawa的“使用微型對準(zhǔn)機(jī)的多路熔接接頭機(jī)”，1997年5月的《NTT評論》9卷3期117-119頁。使用高倍放大，可以看見接頭區(qū)域中的纖心和它們的變形，并可根據(jù)纖心變形形狀能計算接頭損耗，參見T.Sano、T.Watanabe和K.Osaka的“多路熔接接頭損耗分析”，1996年12月的《國際有線和電纜會議記錄》214-220頁。然而，在該方法中在一次僅能看見一個視圖中的一條光纖。對于12條光纖的光纖帶，光纖系統(tǒng)必須至少移動并重新聚焦24次來完成損耗估計。
一種估計光纖接頭的簡單方法是熱光纖圖像處理技術(shù)，該技術(shù)與現(xiàn)有自動光纖接頭機(jī)相比并不需要更多的附加硬件，而僅修改圖像處理軟件。此技術(shù)已經(jīng)有若干年用于估計單光纖接頭。這在所引用的W.Zheng的論文以及W.Zheng的“單模光纖熔接接頭的損耗估計”，1991年9月波士頓《國際SPIE’91會議記錄》1580卷380-390頁中論述。
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于估計在光纖之間形成的接頭中損耗的方法和設(shè)備，尤其涉及僅使用顯示接合操作之后接頭外形的圖像來估計帶狀光纖中光纖之間形成的接頭中損耗的方法和設(shè)備。
本發(fā)明另一目的是提供一種用于估計帶狀光纖中光纖之間形成的接頭中損耗的方法和設(shè)備，其中不需要為損耗估計而移動光系統(tǒng)。
因此，通過在形成接頭之前和之后直接僅拍攝接頭區(qū)域的“冷”照片來進(jìn)行估計，在冷照片中，光纖并不因為加熱發(fā)出任何光，并且在這些照片中僅能觀察到光纖的外側(cè)面尤其是是光纖包層的外側(cè)面。因此，特別在將彼此相連的光纖端面上拍攝光纖區(qū)域的照片，在熔接之前當(dāng)光纖被定位使它們的端面彼此相接觸時直接拍攝該照片。然后在熔接之后再拍攝一張照片。分析獲取的兩張照片以確定光纖終端或光纖纖心的變形類型并確定與首先確定的變形類型相關(guān)的特征偏移，如照片中的外形所給出的。所確定的變形類型和所確定的特征偏移用于計算接頭中光損耗的估計。
現(xiàn)在將參見附圖用非限制實施例說明本發(fā)明。
圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)用于同時在兩個視圖觀察12條光纖的光纖帶的光系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)能夠同時在所有光纖上聚焦。
圖2a-2d分別是在接合操作之前、在覆蓋步驟中、正在接合步驟中和接合過程之后所拍攝的12條光纖的光纖帶接頭的冷和熱光纖圖像，其中在使用電弧時拍攝圖2b和2c，圖2c的熱圖像是在沒有背景照明的情況下拍攝的。
圖3a是從圖2c中第6條光纖放大的熱光纖圖像，其中在光纖中部纖心變形清晰可見。
圖3b是在圖3a中的虛線上測量的光強(qiáng)度曲線。
圖4a是分析后的冷圖像，在一個視圖投影上顯示所計算的包層偏移、相對光纖端面之間的間隙和左右光纖的裂開角度。
圖4b是分析后的熱圖像，在一個視圖投影上顯示接頭上的放大區(qū)域、接頭上的變形纖心形狀和接頭損耗，從接頭圖像中獲得的纖心變形形狀和從所獲得的纖心形狀計算出的損耗。
圖5概略說明與相應(yīng)包層變形相關(guān)的纖心變形類型A-F。
圖6a圖示模擬圖5所示A類和B類纖心變形的指數(shù)函數(shù)fe(z)的典型形狀。
圖6b圖示模擬圖5所示C類、D類和E類纖心變形的指數(shù)函數(shù)fe(z)的典型形狀。
圖7a圖示模擬圖5所示F類纖心變形的疊加的指數(shù)函數(shù)fe(z)的典型形狀。
圖7b圖示模擬與圖5所示類型B和C的組合相應(yīng)的纖心變形的疊加的指數(shù)函數(shù)fe(z)的典型形狀。
圖8a圖示作為用于圖5所示A類和B類以及C類、D類和E類纖心變形的纖心變形曲率函數(shù)的損耗系數(shù)，其中標(biāo)準(zhǔn)化頻率V＝n1ka(2Δ)1/2設(shè)置為2并且假設(shè)包層折射率為1.5和波長為1.3μm。
圖8b圖示作為用于圖5所示A類和B類以及C類、D類和E類纖心變形的模場半徑函數(shù)的損耗系數(shù)，其中使用圖8a的數(shù)據(jù)。
圖9圖示用于OVD型光纖的的接頭損耗估計，其中符合貝爾通信研究所要求。
圖10圖示用于MCVD型光纖的的接頭損耗估計，其中符合貝爾通信研究所要求。
圖11圖示用于VAD型光纖的的接頭損耗估計，其中幾乎符合貝爾通信研究所要求。
圖12圖示用于真波型光纖的的接頭損耗估計，其中不符合貝爾通信研究所要求，因為該光纖具有一條細(xì)纖心并且沒有為這種特定光纖類型優(yōu)化估計參數(shù)。
圖13圖示用于VAD型8條光纖的光纖帶的接頭損耗估計，其中未達(dá)100％但很接近地符合貝爾通信研究所要求。
光學(xué)系統(tǒng)一種用于使用熱光纖圖像法估計光纖帶之間接頭中損耗的光學(xué)系統(tǒng)必須允許在兩個基本垂直的方向上同時觀察帶狀光纖。在該方向上必須觀察到所有獨立光纖，并且該光學(xué)系統(tǒng)必須允許所有光纖的照片被集中在同一圖像上。應(yīng)當(dāng)根據(jù)熔接處理要求為冷光纖照片和熱光纖照片調(diào)整CCD照相機(jī)曝光時間的動態(tài)范圍，熱光纖在熔接處理過程中被加熱。在歐洲專利申請98850082.3、98850080.7和98850083.1中公開了這樣一種光學(xué)系統(tǒng)。
如所引用的歐洲專利申請中公開的合適光學(xué)系統(tǒng)在圖1中用示意圖表示。兩個CCD照相機(jī)1用于同時獲取接頭區(qū)域的照片，該接頭區(qū)域被圖示為帶狀光纖3中十二條光纖的剖面。利用透鏡5在照相機(jī)1的光敏表面上顯示接頭區(qū)域。透鏡5的光軸9分別被安排在相對于照相機(jī)1感光表面的平面和通過將被拍攝目標(biāo)的平面11即延伸通過接頭區(qū)域中光纖的平面合適的角度β和α上，根據(jù)Scheimpflug和Hinge規(guī)則，參見H.M.Merklinger的“視圖照相機(jī)焦距原理”，1996年5月的互聯(lián)網(wǎng)論文，http//fo.nstn.ca/”hmmerk/Hmbool18.html，以便使12條光纖全被定位在焦平面上。在這樣一種裝置中，所獲取圖像的放大率在光纖上是不統(tǒng)一的。
在圖2a、b、c和d中圖示在接合操作之前、在覆蓋步驟中、正在接合和接合之后由如上所述的光學(xué)系統(tǒng)拍攝的冷和熱光纖圖像。盡管很難觀察所示圖像中每條光纖放大率的變化，在圖像處理和損耗計算中考慮該變化是非常重要的。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的從纖心軸變形估計接頭損耗公知熔接接頭中的光功率損耗主要因纖心變形以及光纖終端污染所致。因熔接光纖端部縱軸偏移、大裂開角度等導(dǎo)致的纖心變形增加在光纖中傳播的光的基本電磁模、包層模和輻射模的耦合。裂開角度是光纖端面相對于光纖相應(yīng)端部縱軸的角度，該角度理想上應(yīng)為90°。從耦合模所得的光能量泄漏是接頭損耗。如果已知纖心變形形狀，可使用基于變形外形的耦合模分析計算接頭損耗，參見上面引用的論文，W.Zheng的“單模光纖熔接接頭的損耗估計”。因此，從獲得的數(shù)字圖像正確確定纖心變形是獲得接頭損耗估計中合理的精度的最重要的步驟。
圖2c中的熱圖像部分被放大并如圖3a所示。在拍攝該圖像時未使用照明。因為在接合過程中被用電弧放電加熱該光纖在發(fā)光。加熱光纖不同部位的熱輻射發(fā)射率即光強(qiáng)度隨摻雜材料和它們在二氧化硅中的集聚而不同，參見T.Katagiri、M.Tachikura和K.Ishihara的“使用帶有摻雜物的二氧化硅熱輻射的直接纖心觀察法”，1988年日本的《電子通信》第二部分71卷11期77-85頁。因此，摻鍺纖心看起來比純二氧化硅制成的包層更亮。在圖3a虛線上測量的光強(qiáng)度曲線在圖3b中圖示。
圖3a中所示的加熱光纖數(shù)字圖像中光強(qiáng)度分布可分別用y-視圖投影中的函數(shù)I(x，z)和x-視圖投影中的函數(shù)I(y，z)表示，其中z-坐標(biāo)軸位于光纖縱向上，x-和y-坐標(biāo)軸與其垂直并相互垂直，x軸被定位在圖3a的y-視圖中所獲圖像的平面中，y-軸被定位在x-視圖所獲圖像的平面中。因此圖3b所示的強(qiáng)度曲線可表示為z軸上固定點z0上的函數(shù)I(x，z0)。該剖面曲線通過疊加從纖心發(fā)射的光、從包層發(fā)射的光以及用于獲取圖像的光和電子系統(tǒng)生成的噪聲來獲得。
作為降低圖像中噪聲并生成連續(xù)強(qiáng)度曲線的一種普通方法，可在空間頻域中應(yīng)用諸如高斯濾波器的低通濾波器，參見上面引用的論文，W.Zheng、O.Hultén、R.Rylander的“摻鉺光纖接合和接頭損耗估計”，或者換句話說，可在空間域中應(yīng)用卷積S(x,z)=Σi=-mmΣj=-nnI(x+i,z+j)G(i,j,A,B)---(1)]]>G(i,j,A,B)=14πABexp(-i24A-j24B)---(2)]]>其中標(biāo)號m和n確定抽樣區(qū)域，A和B是高斯濾波器的參數(shù)。參數(shù)值越大，頻域中的通頻帶越低。參數(shù)的實際值根據(jù)光電圖像系統(tǒng)來設(shè)置。一般需要大量測試以便為給定圖像系統(tǒng)確定一組合適值。通過在熱圖像的y-視圖投影中在光纖中心上沿光纖軸尋找ddxS(x,z)=0---(3)]]>的數(shù)值解，我們可以獲得纖心變形作為y-視圖中的函數(shù)fy-view(z)。使用用于x-視圖投影的類似的公式，我們可以獲得x-視圖中的纖心變形函數(shù)fx-view(z)。作為例子，計算圖2c所示的光纖纖心變形函數(shù)并在圖4b中圖示。
已知兩個視圖中的纖心變形函數(shù)fx-view(z)和fy-view(z)，可使用模耦合理論在數(shù)值上計算纖心變形所導(dǎo)致的接頭損耗Г，參見所引用的論文，W.Zheng的“單模光纖熔接接頭的損耗估計”Г＝Гx+Гy(4)即總接頭損耗Г是x-視圖投影的接頭損耗Гx和y-視圖接頭損耗Гy之和，其中Γx=2CΔb2w2Σs[|Fx-view(βg-β1s)|2]j12(j1sa/b)j02(j1s)(dB)---(5)]]>Γy=2CΔb2w2Σs[|Fy-view(βg-β1s)|2]j12(j1sa/b)j02(j1s)(dB)---(6)]]>其中F(β)=∫-L/2L/2f(z)exp[-i(β)z]dz,β=βg-β1s---(7)]]>分別用于圖3a所示接頭區(qū)域(-L/2，L/2)中x-視圖和y-視圖投影。上面，βg表示引導(dǎo)電磁LP01模的傳播常數(shù)和β1s表示包層模的傳播常數(shù)。在階躍折射率單模光纖中，它們可以用下式近似βg≈n22k22-1a2-2w2---(8)]]>和β1s≈n12k2-(j1sb)2---(9)]]>其中使用下式符號a，b和w分別是光纖纖心、包層和模場的半徑；Δ＝(n2-n1)/n1，其中n1和n2是包層和纖心的折射率；k＝2π/λ，其中λ是波長；J0和J1是零階和一階貝塞爾函數(shù)；j1s是一階貝塞爾函數(shù)J1的第s個根；C＝10loge＝4.34根據(jù)等式(1)至(9)，我門可以看出接合區(qū)域上的纖心變形導(dǎo)致模間耦合。導(dǎo)模的光能量部分被耦合到不能沿光纖傳播的包層模上。通過對耦合到包層模上的所有能量求和，我們獲得接頭損耗。因為所有類型的纖心軸變形函數(shù)必須符合接合區(qū)域(-L/2，L/2)兩端上的邊界條件，我們得到f(z)＝fx-view(z)＝fy-view(z)≡0 z≤L/2或z≥L/2 (10)因此等式(7)中的積分實際可用富里葉變換替換，
因此，如果變形函數(shù)是一個解析函數(shù)，等式(4)給出的損耗可能也是解析的。然而，使用數(shù)值計算，由圖像處理發(fā)現(xiàn)的任何形狀的變形可被直接代入等式(20)以獲得接頭損耗，所計算的值在圖4b中表示。我們沒有對熱圖像中纖心軸變形的形狀做任何近似。然而，在此不考慮因纖心大小變形、折射率波動和雜質(zhì)導(dǎo)致的接頭損耗。根據(jù)包層變形估計接頭損耗盡管在世界市場上發(fā)現(xiàn)的80％以上的帶狀光纖可通過如上所述的熱光纖圖像法進(jìn)行處理，但存在用熱圖像法不能輕易處理的一些帶狀光纖類型或某種接頭組合。例如，在具有純二氧化硅纖心的光纖的熱圖像中，因為在纖心中沒有鍺或其它摻雜物，纖心完全不可見。對于一些不同類型的光纖接頭，一條光纖的熱輻射發(fā)射率比另一條強(qiáng)的多。因而，使用相同強(qiáng)度的熔接電流可能很難觀察到兩條光纖的纖心。然而，如果存在在不使用熱光纖圖像的情況下獲得纖心軸變形函數(shù)的一些方法，對于這些情況上述損耗估計公式也是可行的。
大多數(shù)用于普通電信目的的商用光纖類型具有很低的纖心到包層偏心，一般小于0.2μm。對于這些低偏心光纖，可根據(jù)在接合處理過程中包層形狀的改變預(yù)測出由接合操作導(dǎo)致的纖心變形。已經(jīng)建立包括大量不同類光纖和不同類接頭的接頭圖像數(shù)據(jù)庫，包括用于4種主要光纖類型的12條光纖的光纖帶和8條光纖的光纖帶的200多個接頭數(shù)據(jù)，以確定包層變形和纖心變形之間的關(guān)系。為數(shù)據(jù)庫所選的所有光纖類型的纖心變形在熱圖像中是清晰可見的。
每個接頭數(shù)據(jù)文件包括—形成接頭時的數(shù)據(jù)和時間；—在接合之前、接合過程中和接合之后為光纖帶中所有光纖在x和y視圖投影上拍攝的12張圖像；—用于形成接頭的所有熔接和控制參數(shù)，例如熔接電流、熔接時間、照相機(jī)曝光條件等；—每條光纖的所有估計參數(shù)和估計損耗；—每條光纖的OTDR雙向測量的接頭損耗。
根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的2000個接頭點總結(jié)出纖心變形和包層變形之間的一些典型關(guān)系并在圖5中概略列出。在表1中為每種相應(yīng)變形列出典型包層變形的范圍。
表1 根據(jù)1404個接頭數(shù)據(jù)文件的典型包層變形范圍。排除有意形成的壞接頭的數(shù)據(jù)。除半徑偏移之外所有數(shù)據(jù)是絕對值。
在變形的不同情況中，纖心變形和/或未相互對準(zhǔn)。這在一些情況中可被看作接合操作之前或之后的包層變形。如在接合之前和/或之后所拍攝的圖像中看出的，在一些情況中存在外包層側(cè)面的不規(guī)則位置。而且，在將被接合的光纖端面上可能存在不規(guī)則。在不同的情況下，可定義特征偏移δi，該特征偏移δi可在接合之前和/或之后所拍攝冷照片中測量。在A類包層變形中存在接合光纖纖心偏移δA。該偏移可在完成接合后作為包層偏移直接測量。在B類中，光纖纖心在接合面上變形。在此確定特征偏移δB作為接合之前的包層偏移δb與完成接頭中的包層偏移δA之間的差值。在變形類型C中，接合之前光纖端面不是平行的，它們都應(yīng)當(dāng)基本垂直于光纖軸。在此特征偏移δC被定義為端面之間的相對角度，并可以在實際接合光纖之前拍攝的接合區(qū)域的照片中測量。在D類包層變形中，在接合之前在光纖纖心之間存在角度偏移δD，該偏移可在接合之前拍攝的相應(yīng)照片中從包層外側(cè)之間的角度獲得。該角度偏移是用于該類變形的特征偏移。對于具有E類變形的接頭，接合之后的加熱區(qū)域具有比光纖其它區(qū)域更小的直徑，這被稱作半徑偏移δE，該偏移可在接合之后拍攝的照片中作為光纖正常半徑與較窄接頭區(qū)域的半徑之間的差值測量。最后，在F類變形中，在將形成接頭的區(qū)域中存在彎曲。這意味著在接合之前拍攝的照片中，所述區(qū)域在一個方向上自光纖的共軸彎曲。在這種情況下，該彎曲部位相對于正常包層面的峰值高度是特征偏移δF。
從圖1和表1我們發(fā)現(xiàn)對于大多數(shù)種類的纖心變形可用指數(shù)函數(shù)fe(z)模擬或近似纖心形狀fe(z)={δ,e-γrz;z<0,γr>0δ1eγlz;z<0,γl>0---(12)]]>下標(biāo)r和l表示左和右，δ和γ分別表示纖心變形的量值和曲率，z是縱向上的位置或距離，z坐標(biāo)方向如上面所定義。當(dāng)L→∞時，指數(shù)函數(shù)fe(z)滿足等式(10)的邊界條件。實際上，如果接頭不是非?？拷硪唤宇^或光纖末端，我們始終可以發(fā)現(xiàn)使fe(z)充分快速收斂的γ值。不同的γ實際涉及根據(jù)圖1不同類型的纖心變形。γ值越小，纖心軸越直，并且越靠近直線是實際的纖心外形。fe(z)的一些典型形狀如圖2a和2b所示。從圖2a和圖2b我們發(fā)現(xiàn)如圖1和表1中所用的類纖心變形類型A和B可用具有相反符號的曲率量值δl和δr的函數(shù)fe(z)適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行模擬，并且纖心變形類型C至F可以用具有相同符號的曲率量值δl和δr的函數(shù)fe(z)來模擬。有時，可以使用兩個或多個指數(shù)函數(shù)的疊加fe(z)＝fe1(z)+fe2(z)+…來最佳地模擬纖心變形。在圖3a和圖3b中表示兩個這種疊加函數(shù)的例子。根據(jù)圖3a的例子適合于模擬變形類型F，當(dāng)接頭經(jīng)受軸偏移和裂開角度偏移時即類型B和類型C的組合，可經(jīng)常使用根據(jù)圖3b的函數(shù)。
將變形函數(shù)fe(z)代入等式(11)，我們可以獲得相應(yīng)富里葉變換的模的平方|F(β)|2=[δlγl(γr2+β2)+δrγr(γ12+β2)]2+[δlβ(γr2+β2)-δrβ(γl2+β2)]2[(γl2+β2)(γr2+β2)]2---(13)]]>從接頭圖像數(shù)據(jù)庫，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)纖心變形外形的曲率γl或γr與熔接電流、持續(xù)時間和覆蓋距離尤其相關(guān)。在大多數(shù)情況下，除了由光纖終端組成的在接<p>
實施例1在封閉的涂布室中，用旋轉(zhuǎn)涂覆使溶劑能與基體表面長時間接觸，將光程差層涂布到含有12％(重量)三苯基磷酸酯的三乙酸纖維素上。將聚醚A溶于所選溶劑中，制備一種含有0.3~0.41％(重量)ZLI-4571(購自Merck公曲率給出較低的接頭損耗，因為導(dǎo)向光的較少部分能沿彎曲纖心傳播以便耦合到包層模。這是帶狀光纖接合更需要高熔接電流和長時間熔接過程的原因，以便克服軸偏移和端面偏離垂直方向。對于自動熔接接頭機(jī)，熔接參數(shù)通常被優(yōu)化。對于電弧強(qiáng)度的小變化，曲率γ對于每種變形i，i＝A、B、…、F幾乎是一常數(shù)。常數(shù)γl的實際值可通過在熱接合圖像中測量纖心形狀獲得。而且，色散位移型光纖之間接頭的平均接頭損耗值通常高于普通SM(單模)光纖，這是因為它們較小的模場半徑(MFR)值ω。較小的ω產(chǎn)生較高的接頭損耗，不僅因為等式(17)的反比關(guān)系，而且因為損耗系數(shù)的變化，參見圖6b，因為更集中分布的導(dǎo)向光具有更強(qiáng)的沿彎曲纖心傳播的能力。然而，因為并未在帶狀光纖中使用具有細(xì)纖心的光纖例如摻鍺光纖等，當(dāng)前光纖類型中的MFRi僅在4μm至5μm內(nèi)變化，并且損耗系數(shù)可用僅取決于γi的函數(shù)近似c(γi)≈ c(γi，βw＝4.5)其中i＝A、B、…、F并且4 ≤ω≤5(20)對于A類和B類變形，顯然δ與軸偏移δA和δB具有線性相關(guān)性，參見圖1。然而，δ、角度偏移δC、δD和半徑偏移δE之間的關(guān)系并不很明顯。比較接頭數(shù)據(jù)庫中的大量接頭的包層和纖心變形，發(fā)現(xiàn)如果包層變形在表1所列的范圍之內(nèi)，線性關(guān)系對于所有五類變形是統(tǒng)計有效的。我們還故意制作一些極差的接頭，這些接頭具有比表1中所發(fā)現(xiàn)的最大值大得多的包層變形。對于這種極差的接頭，線性關(guān)系對于C類至F類不再正確。在大多數(shù)類型的自動帶狀光纖接頭機(jī)中，在接合之前檢查所有的光纖終端。如果發(fā)現(xiàn)光纖終端之間的裂開角度、間隙或軸偏移大于預(yù)定閾值，在任何情況下該帶狀光纖由于生成壞接頭而被拒絕。因而極差的光纖終端被自動排除，并可以使用變形量值δ和偏移δA至δF之間的下述線性關(guān)系δ＝kiδi，其中i＝A、B、…F (21)而且，在同一光纖終端可以出現(xiàn)數(shù)種缺陷。不同的變形類型可以組合，如圖6a和6b所示。變形函數(shù)f(z)的疊加并不產(chǎn)生損耗的簡單相加，因為f(z)的富里葉變換是一個復(fù)數(shù)函數(shù)。然而，我們可以估計總接頭損耗的上限
總接頭損耗將通過相加x-和y-視圖中的總損耗來估計。
實驗結(jié)果為了確定等式(1)中熱光纖圖像估計的接頭損耗參數(shù)m、n、A和B，并確定等式(22)中冷光纖圖像估計的參數(shù)kic(γi)，i＝A、B、…、F，已經(jīng)開發(fā)了計算機(jī)程序。使用該程序運行來自接頭圖像數(shù)據(jù)庫的輸入數(shù)據(jù)，模擬大約340,000個帶狀接頭，并且使用不同的估計參數(shù)組重新估計3千7百萬個接頭點。在模擬之后，如上所述的熱和冷估計方法以及從數(shù)據(jù)庫計算出的所有估計參數(shù)在一臺自動帶狀接頭機(jī)中實施以驗證上面論述的可行性。
當(dāng)僅使用冷光纖圖像中的信息時，一般方法包括步驟在接合之前和接合之后從接頭區(qū)域的照片中發(fā)現(xiàn)包層形狀，確定變形類型i，i＝A、B、C、D、E或F和適當(dāng)參數(shù)δi的值。(參見圖5)從所列的一覽表中找到值ki和c(γi)。
使用ω＝4的等式(22)估計總損耗。
用于接頭損耗估計的貝爾通信研究所(Bellcore)精度標(biāo)準(zhǔn)在世界上被廣泛接受并在表2中列出，參見貝爾通信研究所1996年12月的《多光纖單模光接頭和接合系統(tǒng)的一般要求》，GR-1095-CORE，第二期。這些標(biāo)準(zhǔn)包含用于90％和100％總量的限制，如表2所示。必須符合這兩種限制以便滿足該標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)需要大量的具有損耗大于0.4dB的接頭以便獲得一致性。該標(biāo)準(zhǔn)與單光纖接合的標(biāo)準(zhǔn)相同。
表2貝爾通信研究所接頭損耗估計量精度標(biāo)準(zhǔn)
在我們的實驗中已經(jīng)測試四種不同類型的12條光纖的光纖帶和一種類型的8條光纖的光纖帶。為每個接頭使用如上所述的纖心軸變形和包層變形方法也分別稱作熱和冷方法來估計接頭損耗。并組合這兩種方法以報告較大的估計值。如果使用熱和冷方法所估計的即從等式(4)和等式(22)所確定的損耗分別用Гhot和Гcold表示，對于每個接頭，組合方法的損耗Гcomb被定義為Гcomb＝max(Гhot，Гcold) (23)
實驗結(jié)果在表3中列出。應(yīng)當(dāng)對結(jié)果進(jìn)行一些說明，因為選擇用于測試的所有帶狀光纖具有幾乎等于零的纖心相對于包層的偏心率，看起來冷方法的結(jié)果比熱圖像方法更好并更穩(wěn)定。尤其對于MCVD型的光纖，因為差的熱圖像質(zhì)量而使熱方法不能有效地工作。不管熱方法還是冷方法都不能單獨符合Bellcore 100％要求。然而，組合方法對于大多數(shù)光纖類型是有效的。在所完成的實驗中，同一組估計參數(shù)用于所有光纖類型。因為實波型光纖具有更小的MFR并且對軸變形更敏感，對估計參數(shù)kB專門的修改被用于改善估計結(jié)果。實際上，熱方法對于實波光纖類型并不很有效，因為它的細(xì)纖心使熱圖像中的分辨率更低。
表3接頭損耗估計的實驗結(jié)果
相應(yīng)的詳細(xì)估計信息可在圖9-13中發(fā)現(xiàn)。圖示的所有數(shù)據(jù)是從組合估計方法中獲得的。使用在Bellcore規(guī)范中建議的雙向法用OTDR測量接頭損耗。用于損耗估計精度的Bellcore要求分別用位于虛線和實線內(nèi)的區(qū)域表示。為了符合標(biāo)準(zhǔn)，分別地，90％的點應(yīng)出現(xiàn)在虛線內(nèi)的區(qū)域中，100％的點應(yīng)落入實線區(qū)域內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于估計在兩條光纖之間形成的接頭中損耗的方法，包括步驟—拍攝接頭照片和—根據(jù)照片確定損耗估計，其特征在于—當(dāng)光纖被定位使它們的端面彼此接觸時，直接在接合之前，拍攝將被接合的端面上的光纖區(qū)域的照片，—在接合之后拍攝照片，—分析該照片以確定變形類型和與該變形類型相關(guān)的特征偏移，—根據(jù)所確定的變形類型和所確定的特征偏移計算光纖損耗估計值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在確定特征偏移中，確定接合之前和之后光纖外側(cè)之間的橫向偏移，并計算橫向偏移的差值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在確定特征偏移中，確定接合之前光纖端面之間的角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在確定特征偏移中，確定接合之前光纖相鄰端部位的縱向之間的角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在確定特征偏移中，確定接合之前和接合之后光纖相鄰端部位半徑之間的差值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在確定特征偏移中，確定接合之前和之后光纖相鄰端部位半徑之間的差值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在確定特征偏移中，確定接合之前光纖相鄰端部位橫向彎曲的高度。
全文摘要
在熔接接合之前和之后拍攝兩條光纖端部的冷光纖照片。根據(jù)光纖即它們包層的外形,在照片中確定纖心變形類型。根據(jù)纖心變形類型,在照片中僅通過測量外形相互之間的位置來確定相應(yīng)類型變形的量值。然后可確定纖心變形的量值,因而可確定變形纖心的近似形狀。根據(jù)該形狀計算接頭損耗估計,對于許多接合該估計足夠精確,并因而僅通過估計如冷圖像中所見的包層變形計算接頭損耗估計。
文檔編號G02B6/255GK1272631SQ9912048
公開日2000年11月8日 申請日期1999年12月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月18日
發(fā)明者W·曾, O·胡爾滕 申請人:艾利森電話股份有限公司