專利名稱：連接光纖的方法及該互相連接的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)一種光纖互相連接的改良方法，且在其中一方面，是有關(guān)一種新式“干”，亦即，無凝膠的機(jī)械光纖互相連接，其中光纖末端被光學(xué)對齊且壓在一起并借助連接元件保持在軸向壓縮力下。
與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)光纖連接已為眾所周知，且本技術(shù)已有越來越多供纖維末端對齊并使其對齊固定的元件。目前現(xiàn)有的大部分機(jī)械連接都使用切開的纖維末端。這些連接包含偶合介質(zhì)，通常為凝膠或油，其折射率與纖維芯相同。此種折射率匹配之物料是用來填滿一對欲連接纖維末端正面間的間隙。
顯示本發(fā)明所用類型的連接元件的先前技術(shù)，已揭示于美國專利第4,824,197，及5,159,653號。
機(jī)械連接都含有折射率匹配的凝膠物料。有些機(jī)械連接有溫度周期的問題。因為這些物料的折射率在不同溫度下會變化，導(dǎo)致光學(xué)信號波動，主要是返回?fù)p失(return loss)增加。因此，機(jī)械連接，不使用斜行切開纖維末端時，便產(chǎn)生問題，首先，不會永遠(yuǎn)符合溫度周期要求，其次須使用折射率匹配物料。然而，機(jī)械連接卻較易為這一行業(yè)的技術(shù)人員完成。本發(fā)明實現(xiàn)了對機(jī)械連接的改良并使其成為可與熔合連接相媲美的機(jī)械連接。本發(fā)明使用了現(xiàn)行用以處理纖維末端進(jìn)行連接的技術(shù)來制造機(jī)械性、干燥的，也就是，無凝膠的連接。
本發(fā)明概述本發(fā)明提供一種連接光纖的新式及改良方法。該方法包括下列步驟處理欲連接的纖維末端以使芯間緊密軸向壓縮接觸；將纖維末端插入纖維連接原件的纖維通道兩端；及將壓縮力加諸于纖維末端界面以使纖維芯在整個0℃至40℃溫度周期內(nèi)保持緊密軸向接觸。此一壓縮接觸是在連接元件驅(qū)動之前將軸向壓縮力施加于連接元件通道中的纖維；在元件驅(qū)動之前將應(yīng)力施加于諒解元件以致應(yīng)力清除時連接元件即會施加軸向壓縮力于纖維末端；或在驅(qū)動之后施加變形壓力于元件以施加壓縮應(yīng)力于光纖的端部，使其在整個所欲溫度范圍內(nèi)保持緊密軸向壓縮接觸而提供。應(yīng)力可藉由將連接元件加熱、彎曲或在纖維末端插入連接元件及將元件驅(qū)動之前沿纖維通道拉伸元件而施加于連接元件。另外，施加于纖維末端界面的壓縮力可由施加力量使元件變形及強(qiáng)制纖維末端緊密壓力接觸而產(chǎn)生。再則，這些程序的組合也涵蓋在內(nèi)，也就是說，將連接元件加熱并將元件的纖維末端，置于彈簧或機(jī)械施加的壓縮接觸下。
連接元件驅(qū)動之前將金屬元件加熱至溫度介于100℃與120℃之間；驅(qū)動是用以使纖維端對齊并黏結(jié)，并在連接回復(fù)到室溫時使纖維端有效相互對齊，緊密軸向壓力接觸固定。施加的熱量超過貝爾柯(Bellcore)規(guī)格中溫度周期實驗所用的溫度，該貝爾柯(Bellcore)規(guī)格廣為工業(yè)界所使用，是貝爾通訊研究所(Morristown,NJ)文件TA-NWT-000765及GR-765所刊載。
在使纖維端在FibrlokTM連接的連接元件中緊密接觸后，即可施加壓力于元件使物料扭曲或緊張，并使物料施加壓縮應(yīng)力于纖維而強(qiáng)制纖維壓縮接觸。
本發(fā)明的互相連接是兩單模式光纖間的光學(xué)連接，包含具有縱長通道以供在通道中點附近接受纖維末端的連接元件，而纖維端則在無任何折射率匹配物料存在下相互軸向壓住。
本發(fā)明的連接涵蓋將已在金屬連接元件中固定并夾住的二光纖端連接。使用多種方法之一種，將纖維端放入，并使其相互光學(xué)對齊緊密軸向壓緊。本發(fā)明的連接不含任何折射率匹配物料。
附圖的簡要說明本發(fā)明將參照附圖作進(jìn)一步說明，圖中圖一為已切開光纖一端的側(cè)剖面圖；圖二為已切開并磨斜面的纖維端的透視圖；圖三為已切開并磨斜面的圖2纖維端的側(cè)剖面圖；圖四為一對切開纖維端接觸放置的側(cè)剖面圖；圖五為一對纖維壓在一起的側(cè)剖面圖，其中一支纖維的一端已切開，而另一支纖維的一端已切開并磨斜面，兩端已接觸放置；圖六為實行本發(fā)明方法以獲得本發(fā)明所要機(jī)械連接所用連接工具的上平面圖；圖七為顯示依照本發(fā)明制備的連接的實驗數(shù)據(jù)的曲線圖；圖八為連接工具的上平面圖，該工具裝置安裝于球形滑件上的可移動纖維夾鉗；
圖九為連接的縱向部分剖面圖，其中連接元件已根據(jù)本發(fā)明驅(qū)動；圖十為經(jīng)改良的連接工具的上平面圖，該工具具有施加各種可測量壓縮力于纖維以施加壓力于連接元件中的纖維端的機(jī)制；圖十一為正剖面圖，顯示經(jīng)改良的連接元件及經(jīng)改良的窩工具-供在驅(qū)動將軸向壓縮力施加于纖維的界面并保持之前拉伸連接元件之用；圖十二為圖十一連接元件及工具的端面圖；圖十三為經(jīng)改良的連接元件另一具體例中的正剖面圖，該元件是安置于供纖維端插入的連接工具之外殼上；圖十四為圖十三連接元件的端面圖；及圖十五為連接元件經(jīng)施加彎曲壓力而致對纖維端產(chǎn)生壓應(yīng)力的概略圖。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例本發(fā)明提供一種優(yōu)良的機(jī)械連接及制得該連接的新穎方法。在用以例證本發(fā)明新穎特性的圖示中，相同編號表示相同部件。
雖然光纖端可予以磨光，但費時又難以精確，故現(xiàn)有的大多數(shù)機(jī)械連接型構(gòu)皆使用切開的纖維端。切開是在光學(xué)玻璃纖維包層之外圍先劃割或割刻非常小的點的作業(yè)，它會降低該點的機(jī)械強(qiáng)度。稍后沿纖維長度有劃割缺陷之處施加張力或彎曲負(fù)荷會使纖維一般垂直于纖維軸斷裂。切開程序會產(chǎn)生纖維端正面8，請見

圖1，其擁有纖維芯機(jī)械可獲得的最容易可獲得的無缺陷表面。現(xiàn)有的大多數(shù)機(jī)械連接構(gòu)型都含有偶合介質(zhì)，通常為凝膠或油，其擁有與纖維10的芯9相同的折射率。此一折射率匹配物料是用以填補一對欲連接纖維端正面8間界面的間隙，請見圖4。該間隙是由裂口或凸出部分所引起，該裂口或凸出部分會在劃痕或刻痕的正對面點發(fā)生。
這種情況，以及其他非理想情況，通常是由切開程序的固有問題所引起。先前技術(shù)中已說明了許多不同的工具，這些工具可進(jìn)行垂直切開，精確度各有好壞。精確度是以微干涉儀測量纖維端的平整度及傾斜度而得。
切開過程引起的非理想特征可以在纖維端磨出一斜面而除去。已在單模式纖維之一端磨出的斜面13的錐面形狀，可以使用手動及自動操作的現(xiàn)有工具而獲得。此種磨斜面的工具之一已說明于明尼蘇達(dá)采礦及制造公司(Minnesota Mining and Manufacturing Co.,3M.St.Paul,Minnesota)的申請WO 95/07794(1995年3月23日公開)。圓錐形端部分介于40與160度之間的斜面角或夾角，由簡單調(diào)整工具即可輕易獲得。角度變化，端面的直徑即改變。纖維長度是以簡單夾具固定，一旦固定則產(chǎn)生的角度在每支纖維上都一樣，并在10度的范圍窗口(range window)內(nèi)。端面區(qū)域或其直徑是由纖維端除去的材料量來決定。在自動磨斜面工具上，此系以纖維被研磨的時間量來控制。研磨的時間愈長，端面的直徑愈小。在手動磨斜面工具上，此系以纖維對著研磨介質(zhì)的轉(zhuǎn)動數(shù)來控制，轉(zhuǎn)數(shù)愈多，端面之直徑愈小。工具參數(shù)一旦設(shè)定后，端面直徑的控制即非常一致。在研磨介質(zhì)因磨損需要更換前的許多磨斜面周期內(nèi)，端面直徑通常都可維持在+或-0.0002英寸內(nèi)。纖維端面之表面積，經(jīng)由纖維端磨斜面，會大幅減少。圖5用由將切開纖維15與切開及磨斜面纖維16并放比較即顯示此一縮小。將纖維端磨斜面減少至連接試驗最常用的直徑0.0015英寸時，纖維端面的表面積即減少90％。切開作業(yè)所產(chǎn)生位于端面四周之瑕疵已除去。端面邊緣，由于纖維端正面與側(cè)面的角度增加之故，已加強(qiáng)。連接試驗最常用的角度為90度夾角，或與纖維軸成45度。
表面積的縮小很重要，有二個理由。第一個理由涉及纖維的切開作業(yè)很少會產(chǎn)生完全平的垂直端面。端面通常會發(fā)生高達(dá)1.5度之角度，偏離纖維軸的垂直面。若1對纖維15與16匹配而兩者皆有斜角端面，則會在纖維芯間造成間隙。圖4即顯示此一情況，只將纖維之一，即纖維16磨斜面，并保持斜角關(guān)系完整，間隙即會因使用0.0015英寸(0.04mm)直徑的纖維16端面而減少66％。
第二個理由涉及使兩纖維端正面彈性變形至纖維芯9緊密接觸而其中間不存在間隙所需的軸向壓力之量。若纖維上的壓力保持一定且纖維端面的表面積減少，則纖維界面遭受的總壓力即增高。此一優(yōu)點，亦即提高纖維端界面壓力使纖維芯間緊密壓力軸向接觸，是很重要的?？杀粋鬏斖ㄟ^一段250微米緩沖包履纖維至其端面的力量非常小。使用標(biāo)準(zhǔn)1.500英寸(38.1mm)長FibrlokTM連接作為例子，纖維是插入連接的一半，其距離將為0.750英寸(19mm)。此將是纖維會被某種裝置抓住以縱長方向傳輸力量至端面的最靠近點。250微米纖維的玻璃部份的直徑為0.005英寸(0.125mm)。這在力量的傳輸而言，是不佳的長度與直徑之比(150比1)。連接的進(jìn)入孔要比纖維的外徑大數(shù)千分之一寸，才能提供空隙，讓纖維在軸向壓力下彎曲。若此壓力太大，則纖維會彎曲，且發(fā)生損傷或斷裂。
纖維切開和磨斜面所獲得一些益處亦可由纖維端磨光而得。切開所引起的缺點會被除去。表面積會大幅縮小。纖維的邊緣強(qiáng)度，視所用的端面輪廓而定，通常會改進(jìn)。端面輪廓的控制是視所用設(shè)備及程序而定。磨光可用熱磨光或磨蝕磨光而達(dá)成。熱磨光意指將纖維表面熔化，而磨蝕磨光則涉及用磨蝕介質(zhì)除去玻璃。磨蝕磨光有若干缺點，即會在纖維的端面留下磨傷。為了減小這些磨傷的大小及深度，所用的磨料粒子要細(xì)之又細(xì)，以改進(jìn)表面處理，但磨傷還是會存在。所需要的表面處理愈細(xì)，需要的磨光步驟愈多，此意指需要更多的時間。
大多數(shù)消費者都預(yù)期光纖連接會符合標(biāo)準(zhǔn)貝爾柯性能規(guī)格。該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了-40℃至80℃的整個溫度范圍內(nèi)返回?fù)p失的界限。含有光學(xué)折射率匹配物料的典型連接在這些溫度兩極端及附近顯示返回?fù)p失不良。室內(nèi)使用時應(yīng)在0℃與40℃之間維持緊密接觸。
機(jī)械連接中的折射率匹配物料所發(fā)生的問題可由改良光學(xué)折射率匹配介質(zhì)，或剔除光學(xué)折射率匹配介質(zhì)而獲得解決。為了剔除光學(xué)折射率匹配介質(zhì)，纖維端必須改良以確保端面間的緊密接觸。先前所述的纖維端處理程序即可產(chǎn)生改良的纖維端，讓端面之間能緊密軸向壓力接觸，而無須使用折射率匹配物料。
為測試這些改良的纖維端面，在工廠制作了不使用折射率匹配的凝膠及/或油的FibrlokTM連接，也就是“干式”連接。將一對125微米單模式纖維剝除變切開，差1度即成垂直。然后將纖維磨成90度夾角及0.0015英寸直徑的端面，類似于圖5所示纖維16。用異丙醇沾濕不落絮布，用該布包住纖維，自其中拉出纖維，最后用纖維尖端在布上擦拭若干次，將纖維端面清凈。然后使用標(biāo)準(zhǔn)確定程序?qū)⒗w維插入連接中，然后驅(qū)動連接。
全部測試中皆使用Textronics FibermasterTMOTDR來測量連接功能。測量是將二根纖維-連接的兩端各一支-所得之讀數(shù)加以平均，以求更大精確度。在室溫下，26℃，制作了若干連接樣本，而所得結(jié)果全都類似。插入損失低于-0.2dB，而返回?fù)p失(反向反射)則自-20dB至-45dB。將連接放入溫度循環(huán)室，并進(jìn)行貝爾柯模式溫度試驗，-40℃至80℃。每一溫度1小時，并間隔1小時半的過渡時間。在此試驗中注意到插入損失在全部連接都保持穩(wěn)定，波動不到1dB的十分之一，而全部連接的返回?fù)p失，在溫度40℃以上都將升高至-18dB范圍。在0℃以下，全部連接都比其原始室溫測量值改善，介于-40dB與-60dB之間。
這些結(jié)果的解釋如下。FibrlokTM元件是由鋁制成。鋁的熱膨脹系數(shù)為0.0000238/單位長度/℃。在玻璃而言，該值可介于0.0000102與0.00000005，視其化學(xué)組成定。鋁因此會比玻璃膨脹及收縮得快。FibrlokTM元件在驅(qū)動后會抓住玻璃纖維。纖維實際上便會稍稍埋入元件的表面，使纖維與元件之間不會發(fā)生滑動。當(dāng)試驗的連接在室溫下制作時，使用標(biāo)準(zhǔn)連接組裝程序，纖維端名義上即會相互輕微接觸，而纖維端正面不會變形；該連接組裝程序是使用連接外面的纖維緩沖段折彎所產(chǎn)生的力量來確保纖維端正面在連接內(nèi)確實接觸。當(dāng)熱試驗室內(nèi)的溫度上升到連接組裝時的溫度以上時，鉛元件即以快于玻璃的速度膨脹，直到纖維界面的全部壓力都已解除而纖維開始分離為止。纖維分離時，由于玻璃/空氣/玻璃界面之故，測得高返回?fù)p失。當(dāng)熱室溫度降至連接組裝溫度以下時，此一情況本身即倒反。溫度降至室溫以下時，鋁元件即收縮得比玻璃快，造成纖維界面壓力增高，玻璃/空氣/玻璃界面縮小及消除而獲得較低返回?fù)p失讀數(shù)。返回?fù)p失圖形每一周期都保持一致。
這些測試造就了本發(fā)明。本發(fā)明方法包含將干FibrlokTM連接加熱至高于連接所承受最高溫度以上的溫度，將纖維插入“熱”連接中并將其驅(qū)動。這樣便會確保纖維端正面在目標(biāo)操作溫度內(nèi)永遠(yuǎn)緊密接觸，而獲得低返回?fù)p失。
舉例言之，將商用FibrlokTM連接驅(qū)動工具17修改成如圖6所示，以施加熱量于連接。將塑性連接保留窩自工具基座用機(jī)器切除，再以鋁制成的新窩20代替，此新窩可藏放二個1/8寸(3.17mm)直徑×1寸(25.4mm)，電動25瓦盒式加熱器21及22。加熱器是以歐古丹(Ogden)數(shù)字控制儀控制，精確至+1℃、連接窩是設(shè)計用來將盡可能大部份的連接包圍而不影響其功能，以使熱量盡快輸送至連接。將熱電偶放進(jìn)金屬FibrlokTM連接元件的中間內(nèi)，再組裝成連接，放入改良的工具內(nèi)。分四次將連接自室溫加熱至100℃。連接元件加熱到達(dá)目標(biāo)溫度需的平均時間為50秒。自工具取出連接時，需3至4分鐘才能使連接元件冷卻回到室溫。
對連接進(jìn)行測試，第一次連接試驗的溫度控制設(shè)定于100℃，較貝爾柯試驗程序規(guī)定的最高溫度高20度。將干FibrlokTM連接插入加熱的鋁窩內(nèi)，并令其在溫度100℃下均熱1分鐘。將一對纖維切開，角度在1度內(nèi)，并磨斜面使端面直徑為0.002寸(0.05mm)。將纖維插入加熱之連接中，將連接驅(qū)動，隨后令其冷卻并將其放入溫度測試室中。室溫下所測得第一個性能測量值顯示，插入損失為-0.10dB，而總波動為0.02dB。平均返回?fù)p失為-56.7dB，總波動為3.7dB。結(jié)果顯示出光學(xué)訊號的穩(wěn)定性。正常緩沖纖維約制器23及驅(qū)動桿24仍留在工具17上。
準(zhǔn)備另一連接，并按與先前的連接測試相同的參數(shù)進(jìn)行組裝。圖7顯示此一試驗數(shù)據(jù)的曲線圖。在室溫下測得的第一返回?fù)p失測量值為-57.5dB。將連接緩慢加熱使其回到100℃，自60℃開始每5℃測取一測量值。返回?fù)p失會緩慢降低直至80℃，此時它會更快速下降，直至90℃達(dá)到高峰-83dB。在90℃與100℃之間，返回?fù)p失會快速增高，于100℃達(dá)到-36dB。然后令連接冷卻。進(jìn)行第二加熱周期，所得結(jié)果與第一加熱周期類似，除高峰出現(xiàn)在94℃(-93dB)。在此周期中，記錄連接的冷卻趁勢。冷卻期間，返回?fù)p失在83℃快速下降至高峰-93dB。然后它即在70℃快速升高至-65dB，之后升高非常緩慢，冷卻周期在-40℃時停止，此時返回?fù)p失讀數(shù)為-56.8dB。進(jìn)行第三周期，模式與第二周期相同，結(jié)果稍好一點。請看圖7曲線圖，返回?fù)p失快速下降之后，繼之即快速升高，在約20℃范圍內(nèi)。高峰或最低讀數(shù)即為高峰較熱邊纖維接觸與分離間的轉(zhuǎn)移點。在較冷邊，理論而言，鋁收縮而在纖維界面產(chǎn)生的壓縮力會使玻璃密度改變，從而改變玻璃的折射率。這最后會穩(wěn)定化，而當(dāng)溫度下降時，返回?fù)p失幾乎持平。請注意，光學(xué)訊號在貝爾柯操作溫度試驗范圍-40℃到80℃相當(dāng)穩(wěn)定。
圖8顯示第二種改型的工具，其中固定夾持機(jī)制25是附裝在驅(qū)動工具17上的連接窩20的左側(cè)，并加以固定以在纖維自連接冒出后即將其抓住。第二纖維夾鉗26是安裝在連接窩20右側(cè)的直線球形滑件上，行進(jìn)距離約0.1寸(2.5mm)。一壓縮彈簧28與球形滑件相接觸，并位于連接窩20的反面。螺絲29安裝在工具基座上，用以調(diào)整壓縮彈簧28經(jīng)由球形滑件施加于纖維上的力量。
將干FibrlokTM連接放進(jìn)工具內(nèi)，并準(zhǔn)備一對具有切開角度小于1度，每一纖維端斜面直徑為0.0015英寸(0.038mm)的纖維。將工具加熱至100℃，并將纖維之一放入連接的左手側(cè)至約一半，然后予以夾住。將第二支纖維放入連接的右手側(cè)直至與第一支纖維接觸為止，然后予以夾住。轉(zhuǎn)動力量調(diào)整螺絲直至產(chǎn)生約0.3磅(1.3牛頓)的壓縮力，然后驅(qū)動連接將纖維端夾住。然后放開二個夾鉗。返回?fù)p失測得-56.9dB，連接仍然在工具內(nèi)的100℃下。然后令連接冷卻。測取出一冷卻周期內(nèi)的測量值。將結(jié)果揭示。將連接冷卻至-40℃。雖然插入損失保持-0.11dB，但返回?fù)p失已升高至-51.8dB。然后將連接加熱，每隔5°測取測量值一次。轉(zhuǎn)移區(qū)在151℃時到達(dá)，此時記錄到測量值-80.3dB。超過此溫度，返回?fù)p失即快速增加。再將連接由溫度165℃冷卻。轉(zhuǎn)移區(qū)在134℃時達(dá)到，此時測量值為-80.3dB，之后返回?fù)p失在15至20度期間快速增加，然后增加就極度緩慢。
增加的壓縮彈簧纖維預(yù)負(fù)荷的軸向壓力會使纖維分離的溫度提高，雖然返回?fù)p失保持在與先前試驗可相比的較冷溫度下。光學(xué)訊信在貝爾柯操作溫度試驗范圍內(nèi)保持相當(dāng)穩(wěn)定。
進(jìn)行一系列測試，包含使用壓縮彈簧預(yù)負(fù)荷方法，而不對連接元件使用熱來組裝連接。將干FibrlokTM連接放入保持于室溫下的工具窩內(nèi)。準(zhǔn)備一對切開角度小于1度；斜面直徑為0.0015英寸(0.038mm)的纖維。與先前試驗一樣，用夾鉗將纖維抓住。將約0.2磅(0.9牛頓)的壓縮力施加于右側(cè)纖維，然后驅(qū)動連接并移除全部夾鉗力。加熱的纖維端正面轉(zhuǎn)移區(qū)為介于129°與134℃之間。冷卻的轉(zhuǎn)移區(qū)為介于114°與120℃之間。第一加熱周期之后，其余全部周期模式在貝爾柯操作溫度試驗范圍之內(nèi)都相互非常一致。
圖9所示FibrlokTM連接的本體28及帽29是由液晶聚合物和30％玻璃含量所形成，可忍受上述溫度而無有害影響；而連接元件30是由鋁制成。
圖10顯示驅(qū)動工具17的另一改良。該改良是添置力量計35，放在連接窩20的左側(cè)，固定纖維夾具25的對面。力量計測量探針推動樞軸臂之一端，而樞軸臂則推動可移動纖維夾鉗。樞軸是固定成可使力量計/直線滑件總成產(chǎn)生的力量減輕10比1之比。這會改進(jìn)制作連接時對可移動纖維的力量測量值的準(zhǔn)確度。
使用新式驅(qū)動工具組裝四個干FibrlokTM連接。以力量計/直線滑件總成施加纖維端正面軸向壓縮預(yù)負(fù)荷。不使用加熱的連接窩20，亦不加熱。四個之中有二個具有斜面纖維與斜面纖維界面，而其余二個則具有斜面纖維與切開纖維界面。將完成的四個連接放入熱溫度循環(huán)室內(nèi)，進(jìn)行長時間貝爾柯模式溫度循環(huán)試驗。將周期模式加速至四小時完整周期，由以下開始(1)-40℃，半小時，(2)-40°至80℃,1.5小時過渡時間，(3)80℃，半小時，(4)80℃至-40℃,1.5小時過渡時間，繼續(xù)重復(fù)。此一試驗的目的是為證明干纖維界面可歷經(jīng)貝爾柯溫度試驗?zāi)Ｊ街貜?fù)多次而不壞，以及研究從開始到結(jié)束光學(xué)訊號的一致性，以此夾具組裝的四個連接可耐受530次完整周期，約需89天。以O(shè)TDR進(jìn)行測量，并將二支纖維-連接的每一端各一支，所取得的讀數(shù)加以平均，以求得更大精確性。
連接1及2具有斜面纖維對斜面纖維界面，而連接3及4則具斜面纖維對切開纖維界面。連接1擁有0.0015英寸(0.038mm)直徑端面，且在纖維預(yù)負(fù)荷力0.22磅(0.9牛頓)下組裝?？偡祷?fù)p失變異為9.5dB，而插入損失變異為0.05dB。連接2擁有0.0015英寸(0.038mm)直徑端正面，且在纖維預(yù)負(fù)荷力0.2磅(0.89牛頓)下組裝?？偡祷?fù)p失變異為14dB，而插入損失變異為0.5dB。連接3擁有0.0015英寸(0.038mm)直徑端面，且在纖維預(yù)負(fù)荷力0.3磅(1.33牛頓)下組裝。連接4擁有0.001英寸(0.025mm)直徑端面，且在纖維預(yù)負(fù)荷力0.1磅(0.445牛頓)下組裝?？偡祷?fù)p失變異為6dB，而插入損失變異為0.05dB。除連接3外，所得結(jié)果顯示都好，從試驗開始到結(jié)果，光學(xué)訊號都很穩(wěn)定，性能亦無變化。連接3在高溫下表現(xiàn)差。以O(shè)TDR仔細(xì)檢驗，發(fā)現(xiàn)乃固在80℃時即已達(dá)到纖維端面轉(zhuǎn)移區(qū)。在一些周期當(dāng)中，端面會保持接觸，獲得優(yōu)異返回?fù)p失，而在另些周期當(dāng)中，端面會在80℃時期結(jié)束時分離，而產(chǎn)生低劣返回?fù)p失。
使用圖10所示的驅(qū)動工具以及干FibrlokTM連接，進(jìn)行試驗以將端面預(yù)負(fù)荷力的影響與返回?fù)p失相連系起來。將一對250微米緩沖直徑單模式纖維切開并磨斜面使端面直徑成為0.0015寸，而切開角度不到1度。將兩支纖維全部插入連接中，每支各以各別固定器夾住。由零(0)磅開始增加力量，至連接外的纖維開始折彎為止。此通常是在約0.3磅(1.3牛頓)時發(fā)生。開始時使用低至數(shù)千分之一磅的增量，而在試驗后段時，數(shù)百分之一磅(1/10牛頓或更少)的增量不會有問題。每一連接及纖維對都進(jìn)行若干次試驗，并使用不同纖維對進(jìn)行若干試驗。試驗所得結(jié)果實質(zhì)上相同。最低返回?fù)p失通常是發(fā)生在0.012與0.026磅(0.05與0.1牛頓)之間。
若FibrlokTM連接，連接元件是由鋁以外而熱膨脹系數(shù)接近玻璃的材料作成時，在連接驅(qū)動之前使用纖維壓縮過程，應(yīng)會改良返回?fù)p失表現(xiàn)。與鉛同樣可延展且同樣低成本的材料，并無很多可供選擇。銅很接近，且被用來試驗此一理論。銅的熱膨脹系數(shù)為0.0000141/單位長度/℃，而鋁為0.0000238。制作若干元件，并組裝成干銅連接。將一對纖維切開并磨斜面而成0.0017寸(0.043mm)直徑端正面。將纖維端正面預(yù)加0.25磅(1.1牛頓)負(fù)荷并驅(qū)動連接。
試驗顯示效果令人驚奇的好，就使用銅而言。返回?fù)p失表現(xiàn)在第一加熱周期之后改進(jìn)了幾乎10dB，且在其余周期都保持此一水準(zhǔn)。由轉(zhuǎn)移點至較冷溫度的曲線，與鋁元件比較，看起較平，可能是由于膨脹速度上的差異所致。從轉(zhuǎn)移點至較溫暖的曲線則與鋁元件同樣快速增加。轉(zhuǎn)移點本身跟使用鋁元件的先前試驗一樣是在相同溫度范圍內(nèi)。
使用高品質(zhì)切開方法并在一支或兩支纖維磨出斜面形狀所制得的光纖，配合在“干式”，也就是，無凝膠FibrlokTM連接內(nèi)使用熱或壓力或兩者在纖維界面產(chǎn)生壓縮力，可在貝爾柯溫度循環(huán)式驗期間不使用折射率匹配材料而獲得目當(dāng)于熔合連接的穩(wěn)定返回?fù)p失及插入損失性能。
將應(yīng)力加諸于連接元件以在連接完成后維持纖維各端間的軸向壓縮力的另類方法，已有所討論。一種此種方法是將足夠的壓縮力施加于驅(qū)動連接的各端，使金屬連接元件從各端至纖維界面發(fā)生內(nèi)部塑性變形。因此，連接元件將在隨后加熱及冷卻環(huán)境中，在界面間施加及維持壓縮力。
再者，圖11概略顯示與FibrlokTM連接元件可比美的經(jīng)改良連接元件35，其改良系沿側(cè)面除去物料并在接近每一端形成凸輪表面36，該凸輪表面與纖維通道38的軸成一角度關(guān)系，見圖12。驅(qū)動工具經(jīng)改良而在其上具有鋪展凸輪(spreading cam)39。鋪展凸輪39作成具有凸輪表面40，其是作成可使凸輪表面36，在施加力量于連接元件35，如箭頭41所示時，拉伸連接元件35。連接元件在縱長方向的彈性變形的長度，系以連接元件被強(qiáng)制擠入鋪展凸輪39的距離加以控制?；蛘撸耐馆啽砻婵稍O(shè)計成可以特選力量剪切而得所要延伸。插入經(jīng)處理的纖維端后，即將元件關(guān)閉使纖維夾住固定，并除去先前加諸于元件的鋪展力。鋪展力除去后，元件中儲存的能量即會引起元件35收縮，使纖維的相對光學(xué)對齊端在縱長壓縮下或是緊密軸向接觸。
圖12概略顯示經(jīng)改良元件36及鋪展凸輪39的端面圖。
圖13及14顯示另一改良，其中連接元件45是長方形，在上表面有一縱長V-溝槽46，而纖維端則在連接元件45與V-溝槽46的縱長中央附近并在V-溝槽中確實接觸。然后在縱長溝槽相反兩端將纖維牢牢固定。在將元件兩端的位置固定于外殼的同時，將力量48，見圖15，垂直施加于元件45的上表面以促使元件彎曲。施加的彎曲力應(yīng)足以使元件45塑性變形而成弧形，固定的纖維在內(nèi)表面上。元件塑性變形的結(jié)果，在元件下表面的物料即被拉長，而在亦含有容納纖維的V-溝槽的上表面的物料則被壓縮。就是這種元件45與上表面物料壓縮上的差異應(yīng)力才使得纖維端正面在軸向，也就是說，縱長壓縮下。
本發(fā)明已如上說明，但應(yīng)了解的是，本發(fā)明可在物料上或某些方面作修正，而不偏離隨附申請專利范圍的本發(fā)明精神。
權(quán)利要求
1．一種連接具透光芯之光纖的方法，包括纖維端的處理步驟，以使(a)纖維端連接成緊接關(guān)系，(b)纖維端進(jìn)入纖維連接元件纖維對齊通道相反兩端的每一端，直至纖維端互相接觸為止，(c)連接元件驅(qū)動而作用于纖維端，及(d)元件中的該纖維端之界面維持軸向壓縮力，而在0度至40℃的整個溫度循環(huán)內(nèi)使纖維芯保持緊密接觸。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該壓縮力是在驅(qū)動連接元件之前施加于該纖維。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該軸向壓縮力是在元件驅(qū)動之前將元件加熱至80℃以上，然后將元件冷卻而施加。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該壓縮力是在驅(qū)動前將元件拉伸使元件彈性變形而施加。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該元件是在驅(qū)動夾住纖維端之前在纖維對齊通道的縱長方向彈性變形。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該元件在驅(qū)動施加壓縮力于纖維端的界面之后進(jìn)行塑性變形。
7．一種連接光纖端之方法，包含以下步驟；(a)將纖維端切開成可連接，(b)將至少一支纖維的切開端磨斜面，(c)在連接元件對齊通道中，將磨斜面纖維安置成緊接關(guān)系，(d)將連接元件置于物理應(yīng)力下，(e)在該元件在該應(yīng)力下時，將該連接元件關(guān)閉夾住纖維端，(f)讓連接元件回復(fù)至正常狀況，以將壓縮負(fù)荷置于相對兩緊接纖維端。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中該應(yīng)力是由元件加熱所引起。
9．根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中該應(yīng)力是由該元件彈性拉伸所引起。
10．一種連接光纖之方法，包含下列步驟(a)將欲連接之每一支纖維之一端插入金屬纖維連接元件的纖維通道的相對兩端，直至兩端在連接元件中央附近互相接觸為止，(b)將該金屬纖維連接元件加熱至溫度80℃以上，及(c)驅(qū)動該連接元件夾住纖維端以在連接元件冷卻之時維持纖維端緊密接觸，由此施加壓縮力于纖維端間的界面并保持。
11．根據(jù)權(quán)利要求10所述的連接光纖端的方法，其中該方法包括將欲連接的纖維端切開的步驟。
12．根據(jù)權(quán)利要求10所述的連接光纖端的方法，其中該方法包括將欲連接的纖維端切開，并將該纖維至少一支之一端磨成斜面以在該至少一支纖維形成斜面或錐面端。
13．根據(jù)權(quán)利要求10所述的連接光纖端的方法，其中該纖維端系在連接元件驅(qū)動前在連接元件中壓縮接觸。
14．一種兩單模式光纖間的光學(xué)連接，包含一具有縱長通道，可在該通道中間點附近接受該兩纖維端的連接元件，及該纖維端是在無任何折射率匹配材料下互相軸向壓縮。
15．根據(jù)權(quán)利要求14所述的連接，其中該光纖至少一支之一端切開并磨斜面。
16．根據(jù)權(quán)利要求14所述的連接，其中纖維端系經(jīng)磨光。
17．根據(jù)權(quán)利要求14所述的連接，其中該纖維端，由于施加于該等纖維端的壓縮力之故，在0與40℃間的任何溫度下都保持緊密接觸。
18．根據(jù)權(quán)利要求14所述的連接，其中該纖維端間的軸向壓縮力是由該纖維端插入該通道并被夾住在該通道內(nèi)后該連接元件熱收縮所產(chǎn)生。
19．根據(jù)權(quán)利要求14所述的連接，其中該纖維端由于連接元件塑性變形及其兩端間連接元件物料位移而在界面緊密接觸。
20．根據(jù)權(quán)利要求14所述的連接，其中該切開并磨斜面纖維的端正面，在界面的直徑為介于0.001寸與0.002寸-(0.025與0.05mm)之間。
21．根據(jù)權(quán)利要求14所述的連接，其中該連接元件在兩端彎曲并變形是為將通道置于壓縮下及將纖維端置于壓縮下。
22．根據(jù)權(quán)利要求18所述的連接，其中該連接元件是金屬類。
23．根據(jù)權(quán)利要求14所述的連接，其中該連接元件是由金屬作成。
24．根據(jù)權(quán)利要求23所述的連接，其中金屬是鋁。
25．根據(jù)權(quán)利要求24所述的連接，其中該纖維端是在連接元件關(guān)閉及夾住該纖維端之前在軸向壓縮力下接觸。
26．根據(jù)權(quán)利要求24所述的連接，其中該纖維端在連接元件驅(qū)動之前原置于加熱至溫度80℃以上的纖維連接元件中，且該壓縮力系籍元件冷卻施加。
27．根據(jù)權(quán)利要求24所述的連接，其中該連接元件系在元件驅(qū)動前拉伸以使元件彈性變形而在拉伸力消除后仍施加該壓縮力于該纖維端。
28．根據(jù)權(quán)利要求14所述的連接，其中元件是在驅(qū)動夾住纖維端之前在纖維對齊通道的縱長方向上彈性變形。
29．根據(jù)權(quán)利要求24所述的連接，其中元件在驅(qū)動將壓縮力施加于纖維端界面之后已進(jìn)行塑性變形。
30．一種用以完成二光纖間連接的工具，包含基座，在該基座上用以接受連接元件的窩，在該窩中用以加熱置于該窩中的該連接元件的加熱裝置，及用以支撐纖維使端部置于該連接元件中的裝置。
31．根據(jù)權(quán)利要求30所述的工具，其中該基座支撐用以施加力量于該纖維至少一支以在該連接元件中提供纖維界面間的軸向壓縮的裝置。
32．一種用以完成兩光纖間連接的工具，包含基座，在該基座上用以接受連接元件的窩，使置于該窩中的該連接元件驅(qū)動以抓住欲連接二光纖末端之驅(qū)動桿，在該基座上用以夾住其末端一般位于該連接元件中途的纖維之一的裝置，及用以夾住另一光纖以在該連接元件施加軸向壓縮力于該等纖維界面的裝置。
33．根據(jù)權(quán)利要求31所述的工具，其中該窩包括用以加熱該連接元件的裝置。
34．根據(jù)權(quán)利要求32所述的工具，其中該用以夾住另一光纖的滑動裝置包括具有壓縮彈簧以施加軸向壓縮力于光纖的直線球形滑件。
35．根據(jù)權(quán)利要求32所述的工具，其中該用以夾住另一光纖的滑動裝置包括可移動纖維夾鉗及壓力計以強(qiáng)制該可移動纖維夾鉗移向該窩而施加該軸向壓縮力于光纖上。
全文摘要
一種不使用任何具有匹配折射率的凝膠物料的機(jī)械光纖連接,其中纖維末端經(jīng)處理以供緊密軸向壓縮接觸,且由于連接元件加熱,彈性變形或塑性變形之故,纖維末端正面在連接元件中,在軸向壓力下保持光學(xué)對齊緊密接觸。
文檔編號G02B6/24GK1213434SQ97192967
公開日1999年4月7日 申請日期1997年2月21日 優(yōu)先權(quán)日1996年3月27日
發(fā)明者詹姆斯·B·卡彭特, 高登·D·漢森, 邁克·A·麥斯, 理查·A·帕特森 申請人:明尼蘇達(dá)礦業(yè)和制造公司