En modulant la puissance de plusieurs arcs électriques, nous pouvons déterminer la puissance d'arc optimale et la vitesse de fusion appropriée pour la fibre testée. Cette méthode s'est avérée fiable et précise grâce à une nouvelle soudeuse à fusion dotée d'une zone plasma contrôlable. Cette soudeuse sélectionne automatiquement la puissance d'arc adéquate pour les fibres de différents diamètres. Elle permet de transférer facilement les paramètres de coupe et d'épissure optimisés à plusieurs soudeuses à fusion sur les lignes de production, garantissant ainsi une épissure de haute qualité.

1.0 Introduction
Contrairement au secteur des télécommunications, où la plupart des fibres optiques ont un diamètre typique de 125 microns, d'autres domaines (laboratoires biomédicaux et lignes de production de lasers à fibre, par exemple) utilisent fréquemment des fibres optiques de diamètres très variés [1-3]. Pour les lasers à fibre, on utilise couramment des fibres à grande surface modale (LMA) de 125, 220, 300 et 400 microns de diamètre. Pour une puissance de sortie et une transmission élevées dans les lasers à fibre et les systèmes biomédicaux, on utilise généralement des fibres optiques en verre de 550, 660 et 1000 microns de diamètre. Nous utilisons le diamètre du verre plutôt que celui de la gaine dans ce test, car la gaine, ou une partie de celle-ci, n'est pas en verre dans de nombreuses fibres de grand diamètre (LDF), comme les fibres à double gaine (DCF), certaines fibres monomodes, les fibres multimodes (MMF), etc. De plus, la mesure du diamètre du verre serait difficile pour de nombreuses fibres à double gaine, car leur section transversale peut être hexagonale ou octogonale afin de briser et d'éliminer les modes hélicoïdaux. Le diamètre du verre des fibres DCF est basé sur le diamètre moyen.
La grande variété de fibres optiques ne se limite pas au diamètre du verre. La structure des fibres en verre diffère considérablement de celle des fibres utilisées en télécommunications. Le diamètre du cœur peut varier de 10 à 35 microns pour les fibres LMA. Le nombre de cœurs peut varier : un, deux ou plusieurs, comme les fibres à sept cœurs. Le matériau du cœur est également variable : silice pure, germanium dopé à la silice ou simples trous pour les fibres à cristaux photoniques (PCF). Les différences sont encore plus marquées au niveau de la structure de la gaine des fibres à maintien de polarisation (PMF). De plus, la zone de tension peut prendre différentes formes : panda, nœud papillon, gaine elliptique, ou encore d’autres structures récemment développées.
Face à cette grande diversité de conceptions de fibres, l’épissure par fusion de ces fibres optiques devient à la fois cruciale et complexe.
Les exigences de qualité pour la coupe et l’épissure diffèrent considérablement entre les laboratoires de recherche et les lignes de production. En laboratoire, on travaille généralement avec une seule machine à épisser et l’on s’attache à optimiser les paramètres de coupe et d’épissure afin d’obtenir de meilleures épissures pour un grand nombre de combinaisons de fibres différentes. En revanche, les lignes de production utilisent généralement un plus grand nombre de machines à épisser et doivent produire de manière constante des combinaisons similaires avec une grande fiabilité. Il existe deux mesures de constance : la constance inter-machines et la constance dans le temps. La première exige la constance de l'application de paramètres optimisés en laboratoire à plusieurs soudeuses à fusion au sein d'une ligne de production. La seconde exige la constance des résultats de soudure sur une période prolongée, avec des soudures répétées dans différentes conditions de coupe et de soudure, tout en utilisant les mêmes paramètres.
Il est relativement facile de développer des soudeuses très flexibles pour produire des soudures haute performance en laboratoire.
Il est beaucoup plus difficile d'obtenir une constance inter-machines ou dans le temps pour une soudeuse à fusion destinée à une utilisation en ligne de production. Concevoir une soudeuse alliant flexibilité en laboratoire et constance en ligne de production représente un défi encore plus grand.
Différents diamètres et structures de fibres de verre nécessitent des zones et des puissances de chauffage différentes. La nouvelle famille de soudeuses à fusion ARCMASTER [4] est dotée d'une zone plasma contrôlable. Grâce à son espacement variable des électrodes, sa technologie plasma oscillant, son système de serrage universel des fibres et ses fonctions programmables spécifiques pour le contrôle individuel des moteurs et de l'arc, les machines ARCMaster offrent une grande flexibilité de soudure et peuvent façonner une grande variété de fibres optiques. Afin de garantir la flexibilité requise par les laboratoires et la constance exigée par les lignes de production, une technique fondamentale, l'étalonnage de la puissance d'arc, a été développée et mise en œuvre. Cette méthode d'étalonnage joue un rôle crucial dans la qualité des épissures en sélectionnant automatiquement la puissance d'arc optimale et en permettant le transfert des paramètres d'épissure optimisés vers plusieurs soudeuses à fusion sur les lignes de production, assurant ainsi des résultats d'épissure homogènes.
Au cours de la dernière décennie, de nombreux fabricants de soudeuses à fusion [5-8] ont étudié différentes méthodes d'étalonnage d'arc pour pallier les incohérences de résultats. Ces incohérences proviennent de trois causes principales : premièrement, la tolérance des composants électroniques et mécaniques peut engendrer des incohérences entre machines ; deuxièmement, le vieillissement des électrodes et les dépôts de silice peuvent provoquer des incohérences à la fois entre machines et au fil du temps ; enfin, les variations environnementales (pression, température, humidité, etc.) sont à l'origine d'incohérences au fil du temps. Pour améliorer et résoudre ces incohérences, deux catégories de méthodes d'étalonnage de la puissance d'arc ont émergé : la méthode traditionnelle de fusion et la méthode d'épissure décalée.

1.1 Méthode traditionnelle de fusion.
Dans la méthode traditionnelle de fusion par arc électrique, les deux extrémités des fibres sont retirées, clivées et alignées à une distance spécifiée, puis chauffées par un arc électrique (voir figure 1 pour les fibres de 125 µm, voir aussi [6]). Les extrémités des fibres sont chauffées et la distance de fusion est mesurée le long de l'axe de la fibre. La puissance de l'arc est réduite si la distance de fusion est trop grande, ou augmentée si elle est trop petite. Le temps de chauffage typique est d'environ 8 à 20 secondes à la puissance d'arc de soudage. La distance de fusion recommandée se situe entre 100 et 250 µm, selon le diamètre de la fibre.
Ce processus doit être répété jusqu'à l'obtention d'une puissance d'arc appropriée. Cette méthode exige un effort considérable lors de la préparation des fibres, en particulier pour les fibres à basse densité (LDF). Par ailleurs, la fusion de grandes portions de fibre entraîne d'importants dépôts de silice sur les électrodes pour les LDF de plus de 250 µm de diamètre. L'état des électrodes est considérablement altéré par la méthode de fusion, ce qui rend l'étalonnage de l'arc imprécis.

(a) Avant la décharge d'arc
(b) Décharge d'arc
(c) Après la décharge d'arc.

La fusion des fibres entraîne le dépôt de particules de silice importantes sur les extrémités des électrodes pour les fibres LDF, ce qui conduit à des étalonnages d'arc imprécis.
(A) Avant la décharge d'arc
(B) Décharge d'arc
(C) Après la décharge d'arc.
Figure 2 : Méthode d'épissure décalée pour l'étalonnage de l'arc de puissance. La variation de décalage est mesurée le long de l'axe de la fibre par d1-d2. Les fibres 1 et 2 sont du même type. Cette méthode est adaptée aux fibres de télécommunications d'un diamètre minimal de 125 microns.

1.2 Méthode d'épissure décalée.
Dans la méthode de coupe et d'épissure décalée, les fibres sont épissées avec un axe décalé (voir Fig. 2 pour les fibres de 125 microns [6]). La variation de décalage due à la tension superficielle est mesurée. La puissance de l'arc doit être réduite si la variation de décalage est trop importante ou augmentée si elle est trop faible. Comme la méthode de fusion traditionnelle, cette méthode nécessite généralement plusieurs préparations et épissures de fibres pour obtenir une puissance d'arc acceptable. Elle convient parfaitement aux fibres de télécommunications, car la plupart des fibres de verre ont un diamètre constant de 125 microns.
Cependant, la méthode de coupe et d'épissure décalée ne convient pas à une grande partie des fibres de différents diamètres, car la puissance d'arc appropriée devrait être déterminée pour chaque fibre avant l'épissure. Par conséquent, cette méthode est uniquement applicable aux fibres de diamètre constant, telles que les fibres de verre de télécommunications de 125 microns de diamètre.

1.3 Une nouvelle technologie de fusion à puissance variable.
La méthode de fusion traditionnelle et la méthode d'épissure décalée décrites dans les sections précédentes présentent toutes deux des variantes. Par exemple, la distance de fusion peut être calculée à partir d'images de fibres chauffées pendant la pré-fusion, en examinant la longueur de la portion émettrice de lumière de la fibre chauffée [8]. La méthode de fusion peut également être combinée à la méthode d'épissure décalée [7] pour les fibres de télécommunications.
Cet article décrit une nouvelle méthode d'étalonnage de l'arc pour une large gamme de fibres de différentes tailles. Cette méthode chauffe la fibre à l'aide de plusieurs arcs électriques courts de puissance variable. La fusion est ensuite mesurée à l'angle des extrémités de la fibre, et non le long de son axe. Le taux de fusion à l'angle de la fibre est proportionnel à sa température. En faisant varier la puissance des arcs électriques, on peut obtenir un taux de fusion adapté et la puissance d'arc souhaitée pour la fibre testée. Cette méthode a été testée avec succès sur des fibres de diamètres compris entre 80 et 660 microns, à l'aide de soudeuses à fusion ARCMaster à zone plasma contrôlable.

2.0 Fusion à puissance variable
2.1 Procédé de fusion à puissance variable
Lorsqu'une extrémité de fibre coupée est chauffée par une décharge d'arc très courte (de 0,3 à 1 seconde), elle ne se déforme pas si la puissance de l'arc est trop faible. Si l'on chauffe la même extrémité de fibre plusieurs fois avec la même durée d'arc, mais en augmentant progressivement la puissance, on observe qu'à partir d'un certain niveau de puissance, l'angle de l'extrémité de la fibre recommence à s'arrondir, comme illustré sur la figure 3.
Le procédé de fusion à puissance variable met en œuvre plusieurs techniques clés. Premièrement, la durée de chauffage par arc est très courte et varie selon le diamètre de la fibre mesurée. Pour des fibres de 125 microns de diamètre, cette durée peut être aussi courte que 0,3 seconde, contre plusieurs secondes pour la fusion traditionnelle. Deuxièmement, la puissance de l'arc est initialement faible et augmentée par petits paliers, juste assez pour éviter une déformation trop rapide de l'extrémité de la fibre. Troisièmement, la fusion des angles peut être mesurée de différentes manières. Par exemple, le point de départ de la déformation de l'angle peut être mesuré, comme illustré sur la figure 3. La variation du rayon de courbure de l'angle de la fibre ou la variation de la zone d'angle peuvent également être mesurées comme indicateurs du degré de fusion. Dans cet article, la première définition, illustrée à l'étape 4 de la figure 3, est utilisée comme valeur de fusion.
1. Mesurer le centre de l'arc
. 2. Mesurer la distance entre l'arc et l'angle de la fibre
. 3. Chauffer les extrémités avec un arc de faible puissance.
4. Mesurer la fusion à l'angle de la fibre (écart 2 - écart 1).
5. Augmentez la puissance de l'arc et répétez les étapes 4 et 5.
6. Calculez la puissance d'arc souhaitée à partir de l'angle du coin fusionné.
Figure 3 : Illustration du processus de fusion par arc à puissance variable lors de l'étalonnage. La fusion de la tige est très limitée et souvent non mesurable. L'état de l'électrode n'est pas affecté par cet étalonnage.

2.2 Étalonnage de l'arc de puissance
. Comme illustré sur la figure 4, la fusion de l'extrémité de la fibre, définie à l'étape 4 de la figure 3, est mesurée pour différents niveaux de puissance d'arc et configurations de zone de plasma. Chaque courbe de la figure… La figure 4 représente un test de fusion, composé de 20 à 30 ré-arcs d'une durée de 0,3 seconde, mais à puissance d'arc variable. Le niveau de puissance variait de 0 bit (environ 10,5 mA) à 100 bits (environ 14,5 mA) par incréments de 25 bits. Entre chaque incrément de puissance, 5 ré-arcs étaient effectués à puissance constante pour déterminer le taux de fusion. Cinq tests ont été réalisés pour chaque configuration de zone plasma, avec un espacement des électrodes variant de 1 mm à 3 mm par incréments de 1 mm, afin de vérifier la cohérence des résultats. Dans tous les tests présentés sur la figure 4, le SMF28 a été utilisé pour comparer le taux de fusion et étudier la stabilité de la méthode.
La puissance de l'arc variait de 0 bit (environ 10,5 mA) à 100 bits (environ 14,5 mA) par incréments de 25 bits. L'espacement de la zone plasma varie de 1 mm à 3 mm par incréments de 1 mm. Chaque courbe représente un test de fusion comprenant 20 à 30 ré-arcs d'une durée de 0,3 seconde. La courbe rouge représente la puissance de l'arc. Chaque point de la courbe correspond à un ré-arc.
On observe clairement sur la figure 4 qu'à puissance d'arc constante, chaque courbe de fusion augmente linéairement, ce qui correspond à un taux de fusion constant. À mesure que la puissance de l'arc augmente, la pente plus abrupte des courbes de fusion indique une vitesse de fusion plus rapide. Cette vitesse peut donc être calculée dans chaque zone de puissance d'arc constante, comme indiqué par la courbe en escalier rouge. La vitesse de fusion calculée est présentée sur la figure 5(a). On observe également que la vitesse de fusion est liée à la température de l'extrémité de la fibre. Puisque la valeur de fusion est mesurée en pixels sur les images numériques, on peut utiliser le pixel comme unité de mesure et ainsi mesurer la vitesse de fusion (liée à la température de la fibre) représentée par l'axe Y de la figure 5 en pixels par cycle d'arc. De plus, toutes les courbes de vitesse de fusion de la figure 5(a) peuvent être approximées par des courbes paraboliques, car l'énergie thermique réellement appliquée à l'extrémité de la fibre est proportionnelle au carré du courant d'arc, représenté par l'axe X de la figure 5. La figure 5 montre également qu'un espacement plus important entre les électrodes indique une vitesse de fusion plus élevée et une température plus élevée à l'extrémité de la fibre. Cela signifie que pour obtenir la même température à l'extrémité de la fibre dans différentes configurations de zone de plasma, il est nécessaire d'appliquer des puissances d'arc réelles différentes.
À partir de la figure 5, une courbe cible (en rouge) peut être ajustée mathématiquement. Cette courbe cible peut être une droite ou une courbe. Elle permet de réguler la puissance nominale (et non réelle) de l'arc en fonction de la vitesse de fusion. Cette même courbe cible est utilisable pour toutes les configurations de zone plasma. Un ensemble de facteurs de correction permet de générer une vitesse de fusion identique pour une même puissance nominale d'arc. La figure 5(b) présente les mêmes données de vitesse de fusion que la figure 5(a), mais avec la puissance nominale d'arc en abscisse. Cette puissance nominale est utilisée par les opérateurs pour définir la puissance souhaitée. L'objectif de l'étalonnage de l'arc est de projeter la puissance réelle de l'arc sur la puissance nominale. Autrement dit, l'étalonnage de l'arc permet de déterminer l'ensemble des facteurs de correction. Ces facteurs servent ensuite à créer un nouveau domaine de puissance nominale d'arc. Dans ce nouveau domaine, une même puissance d'arc générera la même température à l'extrémité de la fibre (et donc la même vitesse de fusion), indépendamment du diamètre de la fibre de verre, de l'état des électrodes, de la configuration de la zone plasma ou des conditions ambiantes. Le calcul du facteur de correction est simple. La différence entre la courbe cible et la courbe de vitesse de fusion mesurée permet de déterminer les facteurs de correction.
(a) Vitesse de fusion en fonction de la puissance d'arc réelle
(b) Vitesse de fusion en fonction de la puissance d'arc nominale

2.3 Résultats de l'étalonnage de l'arc
(a1) Extrémité de fibre de 125 μm après étalonnage de l'arc
(a2) Épissée avec un écartement d'électrodes de 1 mm
(a3) ​​Épissée avec un écartement d'électrodes de 3 mm
(b1) Extrémité de fibre de 220 μm après étalonnage de l'arc
(b2) Épissée avec un écartement d'électrodes de 1 mm
(b3) Épissée avec un écartement d'électrodes de 3 mm
(c1) Extrémité de fibre de 400 μm après étalonnage de l'arc
(c2) Épissée avec un écartement d'électrodes de 3 mm.
Les fibres sont également épissées avec différentes configurations de zone de plasma. La même puissance nominale est utilisée pour toutes les fibres et zones de plasma afin d'obtenir des résultats d'épissage similaires. Dans le groupe (c), aucune image n'est présentée pour un écartement d'électrodes de 1 mm, car la petite zone de plasma n'est pas suffisamment puissante pour épisser des fibres de 400 μm.
Les exemples présentés sur la figure 6 illustrent les résultats de la nouvelle méthode d'étalonnage de l'arc. Grâce à la méthode d'étalonnage de l'arc décrite précédemment, il est possible d'épisser des fibres de 125, 220 et 400 microns avec le même réglage de puissance d'arc dans différentes zones de plasma. Autrement dit, les opérateurs d'étalonnage peuvent facilement obtenir les résultats d'épissure souhaités pour différents types de fibres et différentes conditions de plasma (électrode).
Pour tout type de fibre nouveau ou inconnu, les ingénieurs peuvent aisément ajuster les paramètres de coupe et d'épissure en utilisant le même réglage de puissance, sans avoir à rechercher fastidieusement le niveau de puissance approprié.
Les images des extrémités de fibre après étalonnage de l'arc (Figure 6) montrent également une fusion du cœur et une distorsion de la forme de la fibre limitées.
En comparaison, la méthode de fusion traditionnelle (Figure 1c) présente des niveaux de déformation nettement supérieurs. Cette nouvelle méthode de fusion a un impact très limité sur l'état de l'extrémité de l'électrode, en particulier pour les fibres de grand diamètre, qui sont sujettes à une dégradation de l'électrode avec les méthodes traditionnelles.
Comme indiqué précédemment, les méthodes traditionnelles de fusion et d'épissure décalée nécessitent de multiples préparations et coupes d'extrémités de fibre, car ces dernières ne sont plus facilement disponibles. Si la préparation des extrémités de fibre est relativement simple pour les fibres de télécommunications standardisées de 125 microns, elle peut s'avérer coûteuse et chronophage pour les fibres de grand diamètre. La nouvelle méthode décrite dans cet article élimine le besoin de recouper les fibres, car l'arc électrique démarre à très faible puissance et augmente progressivement jusqu'au niveau souhaité grâce à un processus de ré-amorçage continu. 

3.0 Résumé
Une nouvelle méthode d'étalonnage d'arc a été développée pour la fusion de fibres optiques de différents diamètres, garantissant des résultats précis et constants. Cette méthode chauffe la fibre à l'aide de plusieurs arcs courts et mesure la fusion à l'angle de ses extrémités. Le taux de fusion à cet angle est proportionnel à la température de la fibre. En modulant la puissance de l'arc par des ré-arcs continus, un taux de fusion optimal est atteint. Ce taux optimal représente la puissance d'arc souhaitée pour les tests et la fusion des fibres. La méthode a été testée avec succès sur des fibres de 60 à 1000 microns de diamètre, à l'aide de soudeuses à fusion Splice Master (voir figure 7), avec une zone plasma contrôlable. La méthode sélectionne automatiquement la puissance d'arc adaptée à chaque diamètre de fibre. Elle permet aux opérateurs de transférer facilement les paramètres de soudage optimisés à plusieurs soudeuses à fusion sur les lignes de production, assurant ainsi des soudures homogènes et de haute qualité.
(a) Soudeuse FSM 100P pour fibres jusqu'à 500 μm
(b) Soudeuse FSM 100P+ pour fibres jusqu'à 1200 μm

4.0 Remerciements
Les auteurs (Wenxin Zheng et Bryan Malinsky) tiennent à remercier N. Kawanishi et son équipe de Fujikura, au Japon, pour leur soutien dans le cadre de ces travaux, ainsi que D. Duke et S. Althoff pour leurs commentaires constructifs et leurs corrections apportées à l'article.
5.0 Références
[1] Dong, L., McKay, H., Marcinkevicius, A., Fu, L., Li, J., Thomas, B.K., et Fermann, M.E., « Extending Effective Area of ​​Fundamental Mode in Optical Fibers », J. Lightwave Technol., vol. 27, p. 1565–1570 (2009).
[2] Even, P., Pureur, D., « High power double-clad fiber lasers: a review », Proc. SPIE – Int. Soc. Opt. Eng., 4638, p. 1–12 (2002).
[3] Jiger, M., Verville, P., Caplette, S., Martineau, L., Brulotte DA, Gagnon, D., Villeneuve, A. « Assemblages laser monomodes à fibre optique de 91 W en régime continu », Quantum Electronics and Laser Science Conference (QELS), p. JWB59 (2005).
[4] Duke, D., Zheng, W., Sugawara, H., Mizushima, T., et Yoshida, K., « Contrôle de la zone plasma pour une capacité de fusion adaptative », Proc. SPIE, Photonic West (2012).
[5] Zheng, W., « Sélection automatique du courant pour l’épissure de fibres uniques », Brevet américain n° 5 909 527, Ericsson Cables, juin 1999.
[6] Inoue, K., Sasaki, K., Suzuki, Y., Kawanishi, N. et Tsutsumi, Y., « Procédé de fusion de fibres optiques et soudeuse par fusion », Brevet américain n° 6 294 760, Fujikura, septembre 2001.
[7] Takayanagi, H. et Hatori, K., « Procédé d’étalonnage de l’énergie de décharge d’un dispositif de fusion de fibres optiques », Brevet américain n° 7 140 786, Sumitomo, novembre 2006.
[8] Hatori, K., « Procédé de détermination de la quantité de chauffage, procédé de fusion et soudeuse par fusion », Demande de brevet américain n° 11/317899, Sumitomo, août 2006. 

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