專利名稱：Pm光纖對準的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及將被彼此熔接的兩條偏振保持(PM)光纖的端部的快、慢光軸的對準，具體來說，涉及具有相對較弱的橢圓率的橢圓芯光纖的對準。
背景技術：
本申請要求2002年2月26日提交的瑞典專利申請第0200569-2號的優(yōu)先權和利益，該申請的全部教導在此引用以作參考。
在兩條光纖彼此接合之前，為了使在光纖中傳播并通過接頭的光的光衰減最小化，適當的彼此對準兩條光纖是有必要的。在使兩條PM光纖彼此對準的具體情況下，必須特別考慮光纖的幾何結構。和傳統的光纖一樣，商業(yè)可用的PM光纖具有纖芯區(qū)域和環(huán)繞包層，該包層的外表面通常是圓柱形的。然而，在垂直于PM光纖縱軸的橫截面上，折射率的分布并不是關于光纖軸圓對稱的，這與傳統的情況不同。
因此，為了將PM光纖彼此接合，一個很重要的問題是要實現良好的角度對準或方位角對準，以便在兩條PM光纖將彼此接合的緊鄰的兩個相對光纖端面上，折射率相等的區(qū)域彼此盡可能的接近。角度對準有兩個常用的基本方法——所謂的主動和被動對準方法。對于主動對準方法，需要有高度偏振的光源、偏振消光比(PER)測量計和裝有光纖旋轉器的設備。PER被定義為沿兩條主光軸測量的dB形式的光功率比。當使一個光纖端部在接合點相對于另一個光纖端部旋轉，通過使PER的值最大化就可以實現角度對準。一種采用了PM光纖角度對準的主動方法的設備公開于1992年，見Keinichiro Itoh等人1992年10月20日的美國專利第5,156,663號。
被動對準方法是借助于自動熔接器中的數字成像技術而在接合點處局部地執(zhí)行。已經開發(fā)了幾種不同的技術以用于被動地對準PM光纖。一種利用干涉圖樣來確定PM光纖偏振軸的方法公開于1994年，見Richard B.Dyott等人1994年6月21日的美國專利第5,323,225號。一種利用光彈性效應來確定PM光纖偏振軸的方法公開于1995年，見Laurence N.Wesson的1995年5月23日的美國專利第5,417,733號。已經提出了強度曲線分析方法，例如光纖側視圖方法，見H.Taya、K.Ito、T.Yamada及M.Yoshinuma的“Newsplicing method for polarization maintaining single modefibers，”Conf.on Optical FiberCommunication(OFC’89)，THJ2，1989和H.Taya、K.Ito、T.Yamada及M.Yoshinuma的“Fusion splicer for polarizationmaintaining single mode fiber”，Fujikura TechnicalReview，pp.31-36，1990，以及光纖端視圖方法，見K.Itoh、T.Yamada、T.Onodera、M.Yoshinuma及Y.Kato的1992年9月15日的美國專利第5,147,434號“Apparatus for fusion splicinga pair of polarization maintaining optical fibers”和K.Itoh、T.Yamada、T.Onodera、M.Yoshinuma及Y.Kato的1992年10月20日的美國專利第5,156,663號“Apparatus for fusionsplicing a pair of polarization maintaining opticalfibers”。更先進的技術，見Wenxin Zheng的“AutomatedFusion-Splicing of Polarization Maintaining Fivers”，IEEEJ.Lightwave Tech.，Vol.15，No.1，1997，例如利用透鏡效應跟蹤的偏振觀察(POL)曲線和POL相關性方法的組合以用于直接和間接地確定PM光纖角度偏移量，也已經被公開，見發(fā)明者Wenxin Zheng等人1993年3月的瑞典專利第9300522-1號，Wenxin Zheng等人1996年11月5日的美國專利第5,572,313號，Wenxin Zheng等人1998年5月26日的美國專利第5,758,000號，以及Wei-Ping Huang等人已公布的國際專利申請第WO 01/8633號。對于當時在市場上可以得到的最普通的PM光纖例如Panda和Bowtie光纖來說，在自動電弧熔接器中非常成功地采用了這些技術。
近來，在通信系統的構建中橢圓芯光纖已引起了人們極大的注意，比如說構建摻鉺PM光纖放大器和光纖傳感器。不幸的是，由于基本的技術限制，現有的對準技術，見上述關于POL曲線方法的專利，對橢圓芯類型很難產生穩(wěn)定且一致的角度對準結果。舉例來說，所述方法不夠靈敏，因而當旋轉光纖時不能精確測量強度曲線中的細小變化。因此，就需要改進本領域中的現有對準技術，特別是那些基于POL曲線的技術，以便能夠處理所有類型的PM光纖。
具體來說，當從光纖的一側照射每條光纖、并將光纖視作圓柱狀透鏡來沿著焦平面中的一條與光纖縱軸和照射光源傳播方向都垂直的直線觀察光強度變化時，就會出現上述那些問題。一般來說，當光纖繞其縱軸旋轉時，所述強度具有在高度上有變化的中心峰值，見瑞典專利第9300522-1號和上面引用的已公布的國際專利申請第WO01/8633號。在這里，計算光對比度h是有意義的，它是中心峰值和周圍區(qū)域之間的強度差。可以將光對比度變化作為旋轉角度，即方位角角度的函數，從而獲得光對比度的曲線。
h值的最高可能對比度，即光對比度曲線中最大和最小h值之間的差，對于確保高質量的對比度曲線是必要的。已經知道，對于橢圓芯類型的PM光纖來說，在一個典型的自動熔接器中測量得到的h值的對比度通常低于10個灰度級。因此在這種情況下，光對比度曲線對于所用接合器的光學成像系統的調節(jié)變得十分敏感。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種方法和設備，用于提高PM光纖的h值的光學測量，特別是對所測量的POL曲線中的所述對比度的測量的質量。
因此，通常對在其中觀察所述對比度的平面，即焦平面進行仔細調節(jié)。
在觀察所述平面中的光強度變化的基礎上來調節(jié)所述平面，以便獲得最分明的或最高的可能對比度。這一更分明的對比度導致一個利用POL方法對PM光纖主光軸角度位置的好得多的估計，此估計方法適合于對準所有類型的PM光纖，特別是具有橢圓芯的PM光纖。
從一側照射PM光纖，當光纖繞其縱軸旋轉時其透光性是不對稱的，通過觀察該PM光纖的焦距依所述不對稱性的細微變化可以得到上面問題的一個解決方案。通常當觀察平面和焦平面匹配時可以得到一個“最佳匹配平面”，在其中可以獲得h值的最高對比度，特別是對于所考慮光纖的這樣的角度位置光纖慢光軸還近似指向所述照射光線的傳播方向和所述成像系統的光軸，這里假定該傳播方向和該光軸彼此平行。已經發(fā)現，當沿著光線方向確定最佳匹配平面的位置時，可接受的誤差很大程度上取決于所考慮的PM光纖。對于具有橢圓芯的PM光纖來說，可接受的位置誤差一般只有幾微米。
通過采用一個所謂的“自動散焦”方法來自動搜索最佳匹配平面，這里提出的該方法改進了前面引用的公開于瑞典專利第9300522-1號和已公布國際專利申請第WO 01/8633號中的處理過程。這樣一個處理的優(yōu)點在于，例如在熔接過程中，該處理對于各最優(yōu)位置更為精確地對準具有橢圓芯的PM光纖。
在下面的說明中將闡明本發(fā)明的另外的目的和優(yōu)點，所述目的和優(yōu)點可以部分地從下面的說明中明顯看出，或者通過實踐本發(fā)明獲悉。借助于在所附權利要求書中特別指出的方法、處理過程、工具及其組合，可以實現及獲得本發(fā)明的目的和優(yōu)點。


在所附權利要求書中特別闡明了本發(fā)明的新穎性特征，而通過參照附圖來考慮接下來于下文中提出的非限制性實施例的詳細描述，可以完全了解本發(fā)明的結構和內容以及本發(fā)明的上述和其它特征，并更好地理解本發(fā)明，在附圖中圖1a、b是用于對準兩條PM光纖的設備的示意圖，圖2是示出光對比度h對于Panda光纖的兩個定向的顯著差別的示意圖，圖3是示出從Panda光纖獲得的典型光對比度曲線的曲線圖，圖4是主要類型PM光纖的示意圖，其中相應地標出了各光纖的主光軸，圖5是示出從具有橢圓芯的PM光纖獲得的典型光對比度曲線的曲線圖，圖6是用于在自動散焦應用中搜索最佳匹配平面的光學成像設備的示意圖，圖7a、b是從兩個散焦方向得到的像，距離一個參考平面的每側各幾十微米，及圖8是說明在熔接中借助自動散焦的對準方法的程序流程圖。
具體實施例方式
在圖1a和圖1b的示意圖中示出了適于接合PM光纖的自動光纖接合器的基本部件。圖1a是靠近兩條PM光纖1和1’的端部的光學安排的示意圖，將要利用兩個電極3的尖端之間的放電將所述兩條光纖彼此熔接。兩個光源11在兩個垂直的方向上用平行光線從光纖的兩側照射光纖的接合位置。由于光纖本身可作為圓柱透鏡工作，于是在該光纖的焦平面上就出現變化的光強度分布，正如沿著在焦平面內與光纖縱軸垂直的直線所觀察到的一樣。通過使用由光學透鏡7圖示的適當的聚焦組件，如在所述透鏡組件的物平面中得到的4個光強度分布，每個分布是關于每一條光纖和每一個方向，被依次成像在電視攝像機9的感光面上，例如包括攜帶有CCD單元的平板。因此，由所述攝影機捕獲的每幅圖像包括在接合位置處的兩條PM光纖的端部的圖像。對應于每幅所捕獲圖像的電視信號隨后在視頻接口31中被處理，以將所述圖像的光強度值轉換成適當的格式，以用于在圖像處理和分析單元15中的進一步處理以及隨后在視頻監(jiān)視器17上的呈現。
在圖1b中示出了所述光纖接合器的機械和電氣安排的更多細節(jié)。在對準和接合操作中，由固定器21攜帶的旋轉支架22將PM光纖1和1’的端部嚴格定位。借助馬達23，固定器21可以沿三個垂直的方向x、y和z移動，z方向例如被取為和光纖端部的縱向平行，見圖1a，而旋轉支架能夠旋轉3600。在電路模塊25中，電線分別從驅動器電路27和29延伸到電極3和馬達23。電視攝像機9電氣連接到電路模塊25中的視頻接口31，該視頻接口又連接到圖像處理和分析單元15，以用于傳輸所捕獲的圖像信息。用于處理輸入數據的各個步驟由電路模塊25中的處理器邏輯電路33控制，該邏輯電路根據圖像處理和分析單元15的輸出數據向驅動電路27和29提供控制信號。也就是說，作為對PM光纖1和1’的焦平面中的光強度分布具體分析的結果，根據給定的處理算法使光纖的端部相對于彼此移動。與此同時，處理器邏輯電路33將信息提供給圖像處理和分析單元15，以用于控制其中所執(zhí)行的處理和分析。處理器邏輯單元33也控制將高電壓提供給電極3，從而使電流在電極尖端之間的放電中流動，該單元還控制此電流的持續(xù)時間及其強度。處理器邏輯單元33還控制光源11的照射。
根據由電視攝像機9捕獲的圖像，在光纖1和1’的焦平面中，沿著與光纖1和1’的端部縱向垂直的適當選擇的直線的光強度分布由圖像處理和分析單元15確定。根據這些所確定的強度分布，每條線的光對比度h由圖像處理和分析單元15計算，該光對比度h是作為各分布的中心峰值的最大強度和所述分布的位于峰值兩側井緊鄰峰值的區(qū)域的相對恒定的光強度之間的差值，其中該峰值對應于光纖端部圖像的縱向中心線。可以觀察到，當繞光纖端部的縱軸旋轉各光纖端部時，h值有變化。這一變化是由PM光纖的被引入光纖包層和/或纖芯的諸如應力區(qū)和/或折射率差異之類的光學不對稱性引起的。光學對稱性的缺乏導致從一個方位角或角度位置到另一個方位角或角度位置的h值有顯著差異。因此，h值就可以表示光纖端部的光學不對稱性的位置。當例如將PM光纖端部旋轉一整周，由相應的強度分布所確定的h值給出作為角度位置函數的一條光對比度曲線，從中有可能確定所述光學不對稱性的角度定向以及PM光纖各端的偏振軸。圖2圖示了對于Panda PM光纖在兩個唯一的定向上，即分別沿著慢、快光偏振軸，獲得的顯著不同的h值。
圖3是示出對于一條典型Panda PM光纖所測量的光對比度曲線的曲線圖，即h值作為旋轉角度的函數。已經觀察到，在該曲線中周期地出現一個雙峰結構。該周期和光纖關于其縱軸的對稱性直接相關。曲線中的各主峰表示該光纖端部的兩個光偏振軸，即快、慢光軸的角度位置。曲線中最高峰的中心位置表示所考慮的PM光纖的慢光軸的角度位置。這是由這一事實得到的當減小光線傳播方向和慢光軸之間的角度偏移量時，光對比度逐漸增大。這一現象對于大多數類型的PM光纖來說是成立的，例如Panda和Bowtie光纖以及具有橢圓套或橢圓纖芯的PM光纖。在圖4的橫截面視圖中示出了這些PM光纖的主光軸。
PM光纖偏振軸的角度定向可以被確定為，如由上述曲線分析給出的慢光軸的相對于方位角或旋轉角的某一任意零值的位置。該零值可被選擇為例如光纖旋轉支架22的初始刻度或零位置。于是快光軸的角度位置距離慢光軸的角度位置是900。
仔細檢查圖3，在最高峰中可以看到一個詳細的結構。這一結構主要是由于在圍繞所考慮光纖端部的某一角度位置的較小范圍內光纖纖芯對跨應力區(qū)的光傳輸的影響，在所述角度位置上慢光軸平行于觀察方向。因此，有必要選擇一個模擬光對比度曲線并從該曲線中提取更詳細信息的適當方法，以便能夠精確確定慢光軸的位置。
在圖5的曲線圖中，繪制了對于一條具有橢圓纖芯的PM光纖所測量的典型光對比度曲線?？梢杂^察到在這條曲線和見圖3的對于Panda光纖所測量的曲線之間的顯著區(qū)別。首先，對于一條具有橢圓纖芯的PM光纖來說，在曲線中只周期地出現一個峰，該峰表示光纖的慢光軸。其次，比起對于Panda光纖所獲得的約為100個灰度級的h值范圍，在具有橢圓纖芯的PM光纖的情況下，在一個典型的自動光纖接合器中測量的h值范圍要小一個數量級，實際約為10個灰度級。這一較小的范圖是由于，在具有橢圓纖芯的PM光纖中纖芯橢圓長軸和短軸的長度差非常小，一般情況下只有1-2微米。從測量領域中的一般經驗可以明顯看出，變化范圍小的曲線給出所確定的所述偏振軸的角度位置的精確度通常較低，從而基于所確定角度位置的角度對準的質量就較低。因此，必須采用下文中將描述的“自動散焦”之類的特殊技術來克服這一問題。
對于兩個PM光纖端部的角度對準來說，可以如下執(zhí)行一般步驟選擇一個明確定義的角度取樣范圍，一般是3600，在該范圍中測量光強度分布并從而計算兩個PM光纖端部的光對比度曲線，通過仔細分析所獲得的曲線找到慢光軸，以及將兩個PM光纖端部的慢光軸彼此對準。對于執(zhí)行所述方法所必要的數值計算，可以假定用于構造兩條光纖的光對比度曲線所測量的總共N個點可以由兩個向量{ΘA，ΘB}分別表示ΘA＝{θa0，θa1，θa2，...，θa axis，...，θa N-1}(1)ΘB＝{θb0，θb1，θb2，...，θb axis，...，θb N-1}(2)其中θa0和θb0是相對于零值的初始方位角。如果光纖旋轉器22的初始位置基本上是任意的，則可選擇為零值，θa0＝θb0＝00。θa，axis和θb，axis就是慢光軸所位于的方位角，也就是說，在這些方位角上慢光軸與各自的觀察方向平行，所述觀察方向在各自透鏡組件7的光軸上。因此，兩個光纖端部偏振軸之間的角度偏移量ΔΘ由下式給出ΔΘ＝|θa axis-θb axis| (3)應該注意到，并不是在θa axis或θb axis的真實值的角度上測量光強度分布，但是這些角度位置通常位于進行測量的兩個角度位置之間，所述測量在具有有限、恒定間隔的角度上進行。，確定角度θa axis和θb axis的精確度主要取決于光對比度曲線的小范圍變化、如將在下文中所說明的在估計中所使用的模型的選擇，以及所使用的機械旋轉器22的質量。雖然偏振軸角度對準的精確度不直接由測量值的數量N決定，但是根據光纖的對稱性和曲線分辨率的要求，優(yōu)選地還是選取一個相對較大的數量N，在0-1800或者0-3600范圍內一般是90-180個點。
在已施行熔接之后，通過利用與上面所討論的相同的方法檢測慢光軸，將兩個接合的光纖端部作為一個單元旋轉，可以找出兩個PM光纖端部的兩個慢光軸之間的剩余角度偏移量Δθ。所述偏移量Δθ可被用來估計由接合操作帶來的偏振消光比PER的降低。這一降低由ΔГ表示并由下面式子給出ΔГ＝Гbefore-Гafter(4) ρ＝(10|Гbeore|/10-1)/(10|Гbefore|/10+1)(6)其中，Гbefore和Гafter分別是接合操作恰發(fā)生前和剛發(fā)生后的PER。Гbefore和Гafter通常是從所測量的高度偏振光源的PER中所獲得的，分別在第一光纖1和第二光纖1’的遠端取得。在公式(5)和(6)中，還假定應該使用第二光纖1’的一小段，一般是兩米長，來執(zhí)行對Гafter的測量，以便能夠分離出由接合引起的PER降低。
為了從光對比度曲線中精確地確定慢光軸的位置，可以采用一個所謂卡方Chi-Square(χ2)擬合的曲線擬合方法。在此方法的框架內，應該有可能通過解析函數的外加一個噪聲背景的疊加來模擬所測量的曲線。這樣，曲線擬合的質量可以由簡化的Chi-Square(χ2)函數估計。該簡化的χ2函數可以由下式表示
其中G(θi；a1j，a2j，a3j，...)是具有第j擬合參數a1j，a2j，a3j，...的解析函數，而F(θi)是在方位角θi處的第i測量h值的平均值，其具有誤差限(error-bar)ΔFi。這里，ΔFi由標準差 估計，其中F1(θi)是在角度θi處總共M個值中的第1單獨測量的h值，而N是h值的總數，或者說是方位角測量點的總數。C是代表成像系統噪聲背景的一個常數值。μ是在擬合程序中改變的擬合參數的數量，n是在擬合程序中使用的獨立解析函數的數量。
在曲線分析中，已證明單個高斯函數可以是用于模擬慢光軸所在的最高峰的適當的解析函數。因此公式(7)可以簡化為 其中G(θi；a1，a2，a3)是具有擬合參數a1、a2和a3的高斯函數。參數a1代表函數的高度，參數a2和a3分別代表所述最高峰在曲線中的預期中心位置和所述峰的半高全寬(FWHM)。最佳擬合參數組{a1，best，a2，best，a3，best，C}是使代表函數F(θi)的測量數據的高斯函數的概率最大的一組參數。實際上，參數{a1，best，a2，best，a3，best，C}被輸入到一個在其中計算χ2的數值迭代循環(huán)。為使擬合方法成功，隨后以系統的方式改變所述參數以便獲得想要的結果χ2≈1。這樣，將由a2，best給出慢光軸的位置。用于擬合的初始值{a1，0，a2，0，a3，0，C}由對高度曲線的預分析確定，例如可以選擇a1，0＝Max[F(θi)]，a2，0＝θi{Max[F(θi)]}，a3，0＝2a2，0-θk{Max[F(θi)]/2}，C＝Min[F(θi)]。
根據基礎數學，光對比度曲線原則上可以由任意一組初等函數表示，例如多項式和有理函數，對數、指數、冪函數和雙曲函數，三角函數和反三角函數等等。解析函數的選擇主要取決于對準精確度的要求和用于執(zhí)行必要計算的時間。根據所考慮的PM光纖的類型，這些要求可能會變化。一個典型實例是成功地使用截斷傅立葉級數來模擬Panda和Bowtie類型PM光纖的POL曲線，見Wenxin Zheng的“Automated Fusion-Splicing of Polarization MaintainingFibers”，IEEE J.Lightwave Tech.，Vol.15，No.1，1997。
從上面的討論可以推出，h值的最大可能變化范圍對于確保光對比度曲線的高質量并從而確保偏振軸角度對準的高精確度是非常重要的。不幸的是，如同上面提到的一樣，對于具有橢圓纖芯的PM光纖來說，在一個典型的自動熔接器中測量的h值的變化范圍通常小于10個灰度級。這使得所述曲線以及特別是基于該曲線的計算對所述光學成像系統的調節(jié)十分敏感。在圖6中，簡要圖示了一個用于自動電弧熔接器中對準的典型的光學成像系統。在此情況下，用一個發(fā)光二極管(LED)60來照射光纖。在LED的前方安裝有一個散射片70，以改進照射。對于一個給定的方位角，由所述散射光在光纖端部1和1’的焦平面上形成清晰的光強度分布。然而，由于在光纖端部的方位角旋轉過程中，橫向穿過光纖端部光傳輸的變化，焦平面的位置會改變。因此就形成了具有一定寬度W的“有效焦平面”80，其由圖6中的灰色區(qū)域表示。另一方面，由于透鏡7所表示的光學成像系統的高質量，由圖6中的的粗黑線表示的光學成像系統的觀察平面90通常非常清晰，即其深度或厚度非常小。參見圖6可以看出，所考慮光纖的慢光軸被定向在照射光線的傳播方向上并與成像系統7的光軸平行時獲得一焦平面，當觀察平面與所獲得的焦平面近似重合時可以得到用于確定PM光纖的慢、快光軸位置的精確值的最佳觀察平面。對于這一定向，可以明顯地以最佳方式確定慢光軸，并從而獲得h值的最大變化范圍。因此，對于這樣一個設置，就獲得了質量最好的光對比度曲線以用于確定所想要的角度。已經發(fā)現，對最佳觀察平面的位置來說，可以接受的失配距離很大程度上取決于所考慮的PM光纖的類型。對于具有橢圓纖芯的這類PM光纖來說，可接受的失配距離一般只有幾個微米。
現在將描述針對自動搜索最佳觀察平面的“自動散焦”過程。這一過程可以分成五個步驟(1)找出將被彼此熔接的兩條光纖的端部慢光軸的近似角度定向，并據此對準所述軸，(2)找出所述光學系統的基準位置以用于開始所述散焦過程，(3)確定散焦方向，(4)搜索最佳觀察平面，以及(5)為兩條光纖中的每一條找出改進的慢光軸定向。
步驟(1)比較明白，并且利用了上面討論的數值方法。對于步驟(2)，用于散焦過程的所述光學或成像系統的基準位置可以選取成具有觀察平面90的光學系統的位置或設置，該位置使得從成像系統7的光軸方向看去可獲得光纖包層側的清晰像，這是由于對于包層直徑相同的光纖來說，所述側的此類觀察平面的位置和實際的光纖類型幾乎無關?；蛘撸摶鶞饰恢靡部梢员贿x為這樣的位置其中光強度分布的中心部分，對應于光纖端部的像的中心及其緊鄰區(qū)域，被清晰地成像在攝像機9的感光區(qū)域上。而且對于不同類型的光纖，這一位置只有些微不同。在執(zhí)行步驟(3)的過程中，執(zhí)行一個將在下文中描述的圖像分析的特定過程。
在圖7a和7b中，示出了將觀察平面向兩個相反的散焦方向移到離基準位置幾十微米的位置時所得到兩幅圖像，圖7a中所見的圖像對應于將觀察平面關于圖6所示的有效焦平面或區(qū)域80向右側移動，即靠近成像系統7，而圖7b中所見的圖像對應于將觀察平面向左側移動，即遠離成像系統?？梢钥闯?，從所述圖像中獲得的由白線示出的光強度分布對于兩個散焦方向顯著不同。此外，可以觀察到，只有當在與用于捕獲圖7b的相同方向上移動觀察平面才能找出最佳觀察平面。
因此，可以設置一個閾值以容易地識別正確的搜索方向。在確定正確的搜索方向之后，在過程步驟(4)中設置具有預定搜索范圍和預定迭代步長的數值迭代循環(huán)。典型的搜索范圍和典型的步長分別可以是20微米和0.5微米。如果找到光對比度曲線的可以接受的失真程度，從而就將終止在迭代循環(huán)中執(zhí)行的計算。確定所述失真程度是否可以接受是通過比較h值的絕對偏差Δhi和兩個預定閾值hc1及hc2。兩個值hc1和hc2是經驗確定的量，分別表示稱為平坦失真和火花(sparking)失真的兩種典型的失真類型。所述絕對偏差按下面方式計算Δhi=Σk=11+p|hk+1-hk|,i=1,2,...,N-p-1---(10)]]>并且它應當滿足下面的條件
Δhi≥hc1(11)Δhi≤hc2(12)其中hc1≤hc2，p是小于N-1的步數，用于檢查失真程度，它的預選擇值取決于所考慮類型的PM光纖的光對比度曲線的斜率。一般來說，p的值在3-5的范圍內。根據上面對數值擬合過程的討論，過程步驟(5)也是比較明白的。
應當指出，上面概述的“自動散焦”過程對于h值變化范圍較大的PM光纖可能是不必要的，比如對Panda光纖和Bowtie光纖。這是由于此類PM光纖的可接受失配距離要比具有橢圓纖芯的PM光纖大的多，至少要大2-3倍。
基于上面的概念，在圖8中示出了一個包括在主光軸對準方法中所執(zhí)行的各步驟的簡化的程序流程圖，其中包括自動散焦過程。參照此流程圖和其中的塊105，通過清潔PM光纖端部然后將它們線性對準，即對準它們的包層外側或者基于光纖圖像中心處的精確聚焦將它們對準來開始一般的熔接過程，所述對準是通過分別在座標方向x、y和z上移動固定器21，也參見圖1a和1b。在下一步驟塊110中，通過操作旋轉支架22，將所固定的兩條光纖的端部同時旋轉，以作為單個單元平行地以適當的角度步移動，例如移動一整周，。對于每一個角度步，各個像通過透鏡組件7的成像被捕獲，并由電視攝像機9接收。然后，在圖像處理和分析單元15中，根據所捕獲的圖像，確定并記錄沿著與所述光纖圖像縱軸垂直的方向上適當選擇的直線的光強度分布。根據所確定的強度分布，所述對比度曲線，即作為旋轉角度函數的h值在同一單元15中得到，并如前面所描述的那樣執(zhí)行曲線擬合。最后，根據所擬合的曲線，確定PM光纖端部的慢、快光軸的角度位置。
在下一個塊115中，對于兩個PM光纖端部中的每一個所計算的h值的變化范圍被確定為最大和最小h值的差(hmax-hmin)，并且判定對于兩條PM光纖中的每一個所確定的范圍(hmax-hmin)是否大于或等于某一預定值，該預定值例如在一個標準自動接合設備中是30。如果判定所述范圍大于該預定值，則所述自動散焦過程就不必要，隨后在塊120中可以執(zhí)行兩個PM光纖端部的偏振軸的對準，所述對準是通過計算兩個PM光纖端部的慢光軸的角度偏移量ΔΘ或者角度定向差，并隨后以對應于該差的角度將兩個光纖端部相對于彼此旋轉。然后在最終塊125中執(zhí)行一般的熔接過程。
在塊115中，如果判定某條光纖的h值變化范圍小于所述預定值例如30，則執(zhí)行塊130，其中，首先通過如上面對于塊120所描述那樣，將兩個PM光纖端部相對于彼此旋轉以使兩個PM光纖端部的偏振軸粗略地彼此角度對準。然后，如前面所討論的那樣，基于在光纖端部圖像的光纖包層側或縱向中心部分上的精確聚焦，來確定成像系統的聚焦設置的基準位置。然后通過下面步驟找出開始散焦過程的方向將觀察平面移到更靠近成像系統7和更遠離該成像系統的位置，旋轉兩個光纖端部以使它們的慢光軸近似平行于成像系統的光軸并捕獲每條光纖的圖像，如前面所描述的那樣確定沿著適當直線的光強度分布，并評估所確定的強度分布以找出所述光強度分布具有最陡峭、最尖銳邊沿的位置。選取這一位置以表示觀察平面應被移動的方向，在該方向上移動觀察平面以獲得具有最大變化范圍的強度分布。然后，在下一個塊135中，通過在確定方向上以具有預定長度的一步從基準位置處移動焦點，即觀察平面來開始一個迭代循環(huán)。在塊140中，以和前面對于塊110所描述的類似的方式同時逐步地旋轉兩個PM光纖端部，對于每一步同時獲得圖像，確定沿各直線的光強度分布，計算光對比度曲線，以及確定每個光纖端部的主光軸的角度位置。在關于所設定的角度位置對稱的角度區(qū)間內執(zhí)行所述步驟，在所述位置上所述慢光軸近似平行于成像系統的觀察方向/光軸。隨后，在塊145中，在選擇檢查步數p≤N-2及對于所有整數i＝1，2，3，...，N-p-1計算絕對偏差Δhi=Σk=i1+p|hk+1-hk|]]>的同時，檢查當前確定的各條對比度曲線的各個值，即h值的絕對偏差，以使得當計算各絕對偏差時所述范圍包括各條光對比度曲線的最大和最小值。在塊150中，對于所有的i值(i∶s)判定是否滿足兩個條件Δhi≥hc1和Δhi≤hc2，其中如前面所討論的那樣，hc1和hc2分別是平坦和火花(sparking)標準，并且hc1≤hc2。在判定Δhi滿足兩個條件的情況下，這意味著自動散焦過程已成功，所述過程繼續(xù)到塊120，其中如前面所討論的那樣執(zhí)行光纖偏振軸的最終對準。
在塊150中，如果判定所計算出的絕對偏差不滿足所述條件，則自動散焦過程通過再次執(zhí)行塊135繼續(xù)進行，如前面已經描述過的那樣在相同的所確定散焦方向上以相同的步移動觀察平面。
雖然在本文中已經說明及描述了本發(fā)明的各具體實施方式
，但可以看到，本領域熟練技術人員會容易地想到多種另外的優(yōu)點、修改及變化。因此，本發(fā)明就其更廣的方面來說并不限于本文中示出及描述的具體細節(jié)、代表設備和所說明的實施方式。相應地，在不背離由所附權利要求書及其等效表述所限定的總的創(chuàng)造性概念的精神或范圍的前提下，可以進行各種修改。因此，應當看到，所附權利要求書希望包含落在本發(fā)明實質精神和范圍內的所有此類修改和變化。
權利要求
1.用于將兩條光偏振保持光纖的光纖端部的偏振軸彼此對準的方法，該方法包括下列連續(xù)步驟-將兩個光纖端部相對于彼此放置，使得兩個光纖端部的縱軸彼此對準，-以重復的角度步將所述光纖端部繞其縱軸旋轉以取得連續(xù)的角度位置，然后對于每個角度步或角度位置捕獲如在觀察平面中所看到的所述光纖端部的圖像，根據每一個捕獲的圖像，確定沿著垂直于每個所述光纖端部縱向的直線的光強度分布，以及根據所確定的光強度分布，對于每個光纖端部確定一個對比度值h，-至此對于每個光纖端部都得到一條h值的光對比度曲線，該曲線被確定為所述角度位置的函數，-根據所述光對比度曲線，確定所述光纖端部的偏振軸的角度位置，以及-將所述光纖端部相對于彼此旋轉一個角度，該角度等于所述光纖端部的偏振軸的角度位置差，其特征在于，在捕獲如在觀察平面中所看到的所述光纖端部的圖像的子步驟中，該觀察平面被選取為使得所得到的光對比度曲線的變化范圍獲得最大可能值，其中所述變化范圍也就是最大值和最小值之間的差。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，當選取所述觀察平面時，首先如在觀察方向上所見在所述光纖端部的外部包層側上進行聚焦，以使得在基準位置上的觀察平面穿過光纖端部的縱軸，或者首先進行聚焦以獲得對應于所述光纖端部圖像中心縱向區(qū)域的圖像區(qū)域的清晰圖像，并且隨后將觀察平面從基準位置處向前或向后移動一段距離。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，當選取所述觀察平面時執(zhí)行下列步驟-首先將觀察平面移動到一個如在觀察方向上所見獲得所述光纖端部外部包層側的清晰焦點的基準位置，以使得在基準位置上的觀察平面穿過光纖端部的縱軸，或者移動到這樣一個基準位置，在該位置上的聚焦獲得對應于光纖端部圖像中心縱向區(qū)域的圖像區(qū)域的清晰圖像，以及-隨后通過從所述基準位置處移動所述觀察平面進行一個迭代搜索，以確定隨后在其中捕獲所述光纖圖像的觀察平面。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，在進行所述迭代搜索的過程中，-首先確定所述觀察平面的移動方向，該方向或是向前或是向后，以及-隨后從所述基準位置處，在所確定的移動方向上以預定的第一長度的重復步移動所述觀察平面。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，在確定所述移動方向的過程中，通過從所述基準位置處以第二預定步長向前或向后移動所述觀察平面，并對于每個位置確定所述光對比度曲線的變化來確定所述方向。
6.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，在所述迭代搜索之前，用所確定的角度位置將所述光纖端部旋轉到其中它們的慢偏振軸平行于所述觀察方向的基準角度位置，并且隨后對于迭代搜索的每一步，都先以重復的角度步將光纖端部繞其縱軸旋轉，以在一個以所述基準位置為中心的區(qū)間內選取備角度位置，并且對于該區(qū)間確定所述光對比度曲線，而在所有光對比度曲線都具有適當的變化的情況下停止所述搜索。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，在確定每個光纖端部的所確定光對比度曲線的變化的過程中，按照Δhi=Σk=ii+pi|hk+l-hk|,i=1,2,3,...,]]>N-p-1計算備失真度，其中N是所述區(qū)間內的角度位置的數量，p≤N-2是檢查步的預定數量，而hk，k＝1，2，...，N是該區(qū)間內的所確定的光對比度值。-對于所有i值來說，當所有的失真度Δhi落在一個指定的值范圍內即hc1≤Δhi≤hc2時，停止所述迭代搜索，其中hc1和hc2是預定的閾值。
8.用于將兩條光偏振保持光纖的光纖端部的偏振軸彼此對準的設備，該設備包括-兩個固定器裝置，其中每一個被安排成固定一條光纖的一個端部，并適于將該端部繞其縱軸移位和旋轉一整周，-連接到所述兩個固定器裝置的控制裝置，用于控制它們對準由所述固定器裝置固定的光纖端部的縱軸，以及移動所述端部使其在接合位置處緊密相關并隨后旋轉所述端部，-用于在所述接合位置處從所述端部的一側用平行光照射所述端部的光源，-具有感光面并提供視頻信號的電視攝像機，-具有一條光軸的透鏡組件，用于將在觀察平面處得到的所述接合位置的圖像成像在所述感光面上，所述電視攝像機從而捕獲該接合位置的圖像，-連接到所述控制裝置和所述電視攝像機的處理和分析裝置，用于處理和分析由電視攝像機接收的視頻信號，-所述控制裝置適于控制所述固定器裝置以重復的角度步將光纖端部繞其縱軸旋轉，以取得連續(xù)的角度位置，然后對于每個角度位置控制所述處理和分析裝置，根據在每一個角度位置上捕獲的圖像確定沿著垂直于光纖端部縱向的直線的光強度分布，以及根據所確定的光強度分布確定一個對比度值h，至此對于每個光纖端部都得到一條h值的光對比度曲線，該曲線被確定為角度位置的函數，-所述控制裝置還適于控制所述處理和分析裝置根據所確定的光對比度曲線確定所述光纖端部的主偏振軸的所述角度位置，以及-所述控制裝置還適于控制所述固定器裝置將所述光纖端部相對于彼此旋轉一個角度，該角度等于所述光纖端部主軸的所確定角度位置之間的差，其特征在于，所述控制裝置被安排成控制所述固定器裝置移動所述光纖端部，以使所述觀察平面取得一個位置，從而使得所確定的光對比度曲線的變化范圍獲得最大可能值。
9.根據權利要求8所述的設備，其特征在于，所述處理和分析裝置包括-用于將所述變化范圍作為所確定的光對比度曲線的最大和最小值之間的差來計算的計算裝置，-連接到所述計算裝置的比較裝置，用于把所述變化范圍和一個指定值作比較，以及-連接到所述比較裝置的決定裝置，用于決定是否將所述觀察移動到一個新的位置。
全文摘要
在一個自動光纖接合器中對準兩條PM光纖的端部的偏振軸，這首先是通過以和傳統接合相同的方式利用可移動固定器(21)線性對準兩個光纖端部(1，1’)。用可旋轉支架(22)旋轉光纖端部，以由攝像機(9)捕獲各個圖像，并且隨后在由邏輯電路(33)控制的圖像處理和分析單元(15)中將光對比度曲線作為角度位置的函數確定。根據光對比度曲線確定偏振軸，并且隨后將它們彼此對準。如在觀察平面上所見，捕獲的是光纖端部及其周圍區(qū)域的圖像。選取觀察平面具有這樣的位置光對比度曲線的變化足夠大，這就使得偏振軸角度位置的確定具有足夠的精確度，例如對橢圓纖芯光纖也是這樣。
文檔編號G02B6/38GK1639603SQ03804679
公開日2005年7月13日 申請日期2003年2月26日 優(yōu)先權日2002年2月26日
發(fā)明者W·-P·黃, D·瓦林, P·林斯科格 申請人:艾利森電話股份有限公司