光纖端面處理對(duì)光纖激光器的影響
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熱心網(wǎng)友QQ群1、前言
光纖是圓柱形介質(zhì)波導(dǎo)由纖芯、包層和涂敷層3部分組成，一般單模和多模光纖的纖芯直徑分別為5～15μm和40～100μm，包層直徑大約為125~600μm。經(jīng)過(guò)處理的光纖端面，理想狀態(tài)是一個(gè)光滑平面。但實(shí)際中，光纖端面的加工往往不能達(dá)到理想狀態(tài)，例如拋光不理想、有劃痕、表面或邊緣破碎損傷等等，都將使端面情況復(fù)雜化。對(duì)于光纖與激光器中其它元件的耦合以及光纖之間的熔接來(lái)說(shuō)，要求光纖端部必須有光滑平整的表面，否則會(huì)增大損耗。本文分類介紹了光纖損耗產(chǎn)生的原因，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了光纖端面質(zhì)量對(duì)光纖激光器輸出功率的影響，研究了光纖端面處理工藝流程，分析了光纖端面的切割和研磨方法，對(duì)光纖熔接過(guò)程提出了具體要求，為同類激光器的研制提供了參考依據(jù)。
2、光纖損耗種類
2.1光纖本征損耗
光纖本征損耗即光纖固有損耗，主要由于光纖機(jī)基質(zhì)材料石英玻璃本身缺陷和含有金屬過(guò)渡雜質(zhì)和OH-，使光在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生散射、吸收和色散，一般可分為散射損耗，吸收損耗和色散損耗。其中散射損耗是由于材料中原子密度的漲落，在冷凝過(guò)程中造成密度不均勻以及密度漲落造成濃度不均勻而產(chǎn)生的。吸收損耗是由于纖芯含有金屬過(guò)渡雜質(zhì)和OH-吸收光，特別是在紅外和紫外光譜區(qū)玻璃存在固有吸收。光纖色散按照產(chǎn)生的原因可分為三類，即材料色散、波導(dǎo)色散和模間色散。其中單模光纖是以基模傳輸，故沒(méi)有模間色散。在單模光纖本征因素中，對(duì)連接損耗影響最大的是模場(chǎng)直徑。單模光纖本征因素引起的連接損耗大約為 0.014dB，當(dāng)模場(chǎng)直徑失配20%時(shí)，將產(chǎn)生0.2dB的連接損耗[1]。多模光纖的歸一化頻率V>2.404，有多個(gè)波導(dǎo)模式傳輸，V值越大，模式越多，除了材料色散和波導(dǎo)色散，還有模間色散，一般模間色散占主要地位。所謂模間色散，是指光纖不同模式在同一頻率下的相位常數(shù)β不同，因此群速度不同而引起的色散。
此外，光纖幾何參數(shù)如光纖芯徑、包層外徑、芯/包層同心度、不圓度，光學(xué)參數(shù)如相對(duì)折射率、最大理論數(shù)值孔徑等，只要一項(xiàng)或多項(xiàng)失配，都將產(chǎn)生不同程度的本征損耗。
2.2光纖附加損耗
光纖的附加損耗一般由輻射損耗和應(yīng)用損耗構(gòu)成。其中輻射損耗是由于光纖拉制工藝、光纖直徑、橢圓度的波動(dòng)、套塑層溫度變化的脹縮和涂層低溫收縮導(dǎo)致光纖微彎所致；應(yīng)用損耗是由于光纖的張力、彎曲、擠壓造成的宏彎和微彎所引起的損耗。
3、實(shí)驗(yàn)裝置與結(jié)果
摻Er3+光纖環(huán)形腔激光器實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，泵浦光由波長(zhǎng)980nmLD尾纖輸出，經(jīng)波分復(fù)用器（WDM）耦合進(jìn)入環(huán)形光纖諧振腔，經(jīng)過(guò)耦合器分光后輸出激光。其中光纖光柵中心波長(zhǎng)為1546.3nm，摻Er3+光纖長(zhǎng)度為3m，摻雜濃度為400ppm，隔離器工作波長(zhǎng)范圍為 1535~1565nm，各元件插入損耗均為0.4dB，經(jīng)上述裝置輸出功率與輸入功率的關(guān)系曲線如圖2所示，最大輸出功率可達(dá)16.9mW。但由于光纖激光器各個(gè)部件之間均熔接在一起，插入損耗和熔接損耗對(duì)整個(gè)系統(tǒng)具有非常大的影響。在熔接質(zhì)量比較好的情況下，總體光光效率可達(dá)5.3%，在光纖焊接較差的情況下，焊點(diǎn)漏光嚴(yán)重，用轉(zhuǎn)換片可以看到明顯的泵浦光泄露，嚴(yán)重影響總體光光效率，二者功率相差23%左右。因此如何降低腔內(nèi)熔接損耗是影響激光器輸出功率的關(guān)鍵因素。
4、光纖端面處理
光纖端面處理也稱為端面制備，是光纖技術(shù)中的關(guān)鍵工序，主要包括剝覆、清潔和切割三個(gè)環(huán)節(jié)。端面質(zhì)量直接影響光纖激光器的泵浦光耦合效率和激光輸出功率。
4.1光纖涂覆層的剝除
去除光纖涂覆層是光纖端面處理的第一步?？梢杂脛兙€鉗和刀片兩種方法進(jìn)行剝除。當(dāng)采用剝線鉗剝除時(shí)，左手拇指和食指捏緊光纖，所露長(zhǎng)度為5cm左右，余纖在無(wú)名指和小拇指之間自然打彎，以增加力度，防止打滑，剝線鉗應(yīng)與光纖垂直，上方向內(nèi)傾斜一定角度，然后用鉗口輕輕卡住光纖，右手隨之用力，順光纖軸向平推出去，整個(gè)過(guò)程要自然流暢，爭(zhēng)取一次成功；當(dāng)采用刀片剝除時(shí)，首先用濃硫酸浸泡3~5cm長(zhǎng)的光纖端頭1~2分鐘，用酒精棉擦拭干凈[2]。左手捏緊光纖，持纖要平，防止打滑，右手用刀片沿光纖向端頭方向，與光纖成一定傾斜角度，順次剝除表面涂敷層聚合物材料，采用這種方法克服了采用化學(xué)溶劑法長(zhǎng)時(shí)間浸泡光纖腐蝕嚴(yán)重的缺點(diǎn)，而且比用剝線鉗或刀片直接刮除更容易、去除更干凈，不易損傷光纖包層側(cè)面部分。
4.2包層表面的清潔
觀察光纖剝除部分的包層是否全部去除，若有殘留必須去掉，如有極少量不易剝除的涂覆層，可用棉球沾適量酒精，邊浸漬，邊擦除。將脫脂棉撕成層面平整的扇形小塊，沾少許酒精（以兩指相捏無(wú)溢出為宜），折成Ｖ形，夾住已剝覆的光纖，順光纖軸向擦拭，力爭(zhēng)一次成功，一塊棉花使用2～3次后要及時(shí)更換，每次要使用棉花的不同部位和層面，這樣既可提高棉花利用率，又防止對(duì)光纖包層表面的二次污染。
4.3光纖端面切割
切割是光纖端面制備中最關(guān)鍵的步驟，精密優(yōu)質(zhì)的切刀是基礎(chǔ)，嚴(yán)格科學(xué)的操作規(guī)范是保證。常用切刀有筆式切割刀和臺(tái)式光纖切割刀。使用筆式切割刀切割光纖時(shí)，光纖放置在手指上，另一手持刀在距離端頭5mm左右的位置處沿垂直光纖軸線方向切割光纖，然后輕輕將切除的端頭取下；使用臺(tái)式光纖切割刀進(jìn)行操作時(shí)，首先要清潔切刀刀片、放置光纖的V型槽和定位壓板，并調(diào)整切刀位置使其擺放平穩(wěn)。切割時(shí)動(dòng)作要平穩(wěn)自然，勿重、勿急，避免斷纖、斜角、毛刺和裂痕等不良端面的產(chǎn)生 [3]。
表面的清潔和切割的時(shí)間應(yīng)緊密銜接，不可間隔過(guò)長(zhǎng)，特別是已制備的端面切勿放在污濁的空氣中。移動(dòng)時(shí)要輕拿輕放，防止與其它物件擦碰。
5、光纖端面研磨
5.1研磨工藝
影響端面研磨質(zhì)量的主要因素主要有光纖的安裝與定位、端面研磨和檢查及測(cè)試。其中研磨及測(cè)試部分對(duì)研制優(yōu)質(zhì)光纖端面最為關(guān)鍵。直接影響光纖端面研磨效果的主要因素有：研磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，研磨砂紙顆粒均勻、正確使用研磨片、以及研磨參數(shù)設(shè)置（壓力和時(shí)間）[4]。
目前使用的研磨機(jī)按其運(yùn)轉(zhuǎn)原理一般可分成齒輪傳動(dòng)，皮帶傳動(dòng)及連竿傳動(dòng)三類。采用齒輪傳動(dòng)方式，一般馬力較強(qiáng)，穩(wěn)定性較高；采用皮帶傳動(dòng)方式，一般馬力較小，其轉(zhuǎn)速在高壓情況下易發(fā)生變化，此外皮帶隨時(shí)間老化后容易出現(xiàn)問(wèn)題；采用連竿式傳動(dòng)方式，噪音較大，穩(wěn)定性較低，機(jī)身容易抖動(dòng)并且壓力偏低。
在加壓方面，有單點(diǎn)中心加壓，氣壓及液壓等方式。單點(diǎn)中心加壓易受外界影響變化，如每盤(pán)件數(shù)有限；氣壓較難控制穩(wěn)定性；而液壓操控較精確，力度相對(duì)較大，但價(jià)格昂貴。
在整個(gè)研磨過(guò)程中，不論是研磨機(jī)的速度，壓力，水或是研磨液，都會(huì)使研磨片的效果不一樣，故在選用研磨處理時(shí)，必須配合各項(xiàng)因素作全盤(pán)考慮，采用一個(gè)最合理的研磨方案。
5.2研磨工序
端面研磨過(guò)程經(jīng)過(guò)4道工序：粗磨、中磨、細(xì)磨、拋光。其中粗磨、中磨、細(xì)磨所用金剛砂紙的顆粒大小不同，分別為6，3，1和0.5[5]。4道工序的時(shí)間和壓力總共8個(gè)參數(shù)，配用不同的方案，就可以得到端面質(zhì)量不同的結(jié)果。改變研磨過(guò)程中這8個(gè)參數(shù)得出最佳方案研磨光纖端面圖如圖3所示。
6、光纖熔接
在把光纖放入熔接機(jī)Ｖ型槽時(shí)，要確保Ｖ型槽底部無(wú)異物且光纖緊貼Ｖ型槽底部。機(jī)器自動(dòng)熔接機(jī)器開(kāi)始熔接時(shí)，首先將左右兩側(cè)Ｖ型槽中光纖相向推進(jìn)，在推進(jìn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一次短暫放電，其作用是清潔光纖端面灰塵，接著會(huì)把光纖繼續(xù)推進(jìn)，直至光纖間隙處在原先所設(shè)置的位置上，這時(shí)熔接機(jī)測(cè)量切割角度，并把光纖端面附近的放大圖像顯示在屏幕上，如果出現(xiàn)圖4所示的圖像就要重做。纖芯/包層對(duì)準(zhǔn)與端面制作一樣直接影響熔接損耗，熔接機(jī)會(huì)在Ｘ軸Ｙ軸方向上同時(shí)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，并且把軸向、軸心偏差參數(shù)顯示在屏幕上,如果誤差在允許范圍之內(nèi)就開(kāi)始熔接。
觀察熔接結(jié)果熔接過(guò)后機(jī)器會(huì)自動(dòng)評(píng)估，并顯示當(dāng)前熔接損耗，由于是估計(jì)值，鼓顯示在0.3dB以上就必須重新制端面。在熔接過(guò)后，還要進(jìn)一步觀察光纖熔接形狀，如果出現(xiàn)如圖5所示情況，必須調(diào)整機(jī)器設(shè)置，重新制作光纖端面后進(jìn)行熔接，其具體實(shí)施方式如表1所示。
熔接過(guò)程中還應(yīng)及時(shí)清潔熔接機(jī)Ｖ形槽、電極、物鏡和熔接室，隨時(shí)觀察熔接中有無(wú)氣泡、過(guò)細(xì)、過(guò)粗、虛熔、分離等不良現(xiàn)象，可采用OTDR跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果，及時(shí)分析產(chǎn)生上述不良現(xiàn)象的原因，采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。如果多次出現(xiàn)虛熔現(xiàn)象，應(yīng)檢查熔接的兩根光纖的材料、型號(hào)是否匹配，切刀和熔接機(jī)是否被灰塵污染，并檢查電極氧化狀況，若均無(wú)問(wèn)題，則應(yīng)適當(dāng)提高熔接電流。
由于光纖在連接時(shí)去掉了接頭部位的涂覆層其機(jī)械強(qiáng)度降低，因此要對(duì)接頭部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)保護(hù)，可采用光纖熱縮保護(hù)管（熱縮管）保護(hù)光纖接頭部位。熱縮管應(yīng)在剝覆前穿入，嚴(yán)禁在端面制備后穿入。將預(yù)先穿置光纖某一端的熱縮管移至光纖接頭處，使熔接點(diǎn)位于熱縮管中間，輕輕拉直光纖接頭，放入加熱器內(nèi)加熱，醋酸乙烯內(nèi)管熔化，聚乙烯管收縮后緊套在接續(xù)好的光纖上，由于此管內(nèi)有一根不銹鋼棒，不僅增加了抗拉強(qiáng)度（承受拉力為1000～2300g），同時(shí)也避免了因聚乙烯管的收縮而可能引起接續(xù)部位的微彎。
7、盤(pán)纖
盤(pán)纖是一門(mén)技術(shù)，科學(xué)的盤(pán)纖方法可使光纖布局合理、附加損耗小、經(jīng)得住時(shí)間和惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，可避免擠壓造成斷纖。盤(pán)纖方法有很多，可以從一側(cè)的光纖盤(pán)起，固定熱縮管，然后再處理另一側(cè)余纖，該方法可根據(jù)一側(cè)余纖長(zhǎng)度靈活選擇熱縮管安放位置，方便、快捷，可避免出現(xiàn)急彎、小圈現(xiàn)象；也可以先將熱縮套管逐個(gè)放置于固定槽中，然后再處理兩側(cè)余纖，該方法有利于保護(hù)光纖接點(diǎn)，避免盤(pán)纖可能造成的損害，在光纖預(yù)留盤(pán)空間較小，光纖不易盤(pán)繞和固定時(shí)，常用此種方法；當(dāng)個(gè)別光纖過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短時(shí)，可將其放在最后單獨(dú)盤(pán)繞；帶有特殊光器件時(shí)，可將其單獨(dú)盤(pán)繞處理，若與普通光纖共盤(pán)時(shí)，應(yīng)將其輕置于普通光纖之上，兩者之間加緩沖襯墊，以防擠壓造成斷纖，且特殊光器件尾纖不可太長(zhǎng)。根據(jù)實(shí)際情況，可采用采用圓、橢圓、“∝”等多種圖形盤(pán)纖，按余纖長(zhǎng)度和預(yù)留盤(pán)空間大小，順勢(shì)自然盤(pán)繞，切勿生拉硬拽，盡可能最大限度利用預(yù)留盤(pán)空間，有效降低因盤(pán)纖帶來(lái)的附加損耗。
8、光纖熔接點(diǎn)損耗的測(cè)量
光纖熔接點(diǎn)損耗的測(cè)量是度量光纖接頭質(zhì)量的重要指標(biāo)，使用光時(shí)域反射儀（OTDR）或熔接接頭的損耗評(píng)估方案等測(cè)量方法可以確定光纖接頭的光損耗。
OTDR的原理是：由于光纖的模場(chǎng)直徑影響其后向散射，因此在接頭兩邊的光纖可能會(huì)產(chǎn)生不同的后向散射，從而遮蔽接頭的真實(shí)損耗。如果從兩個(gè)方向測(cè)量接頭的損耗，并求出這兩個(gè)結(jié)果的平均值，便可消除單向OTDR測(cè)量的人為因素誤差。加強(qiáng)OTDR的監(jiān)測(cè)，對(duì)確保光纖熔接質(zhì)量，減少因盤(pán)纖帶來(lái)的附加損耗和封裝可能對(duì)光纖造成的損耗，具有十分重要的意義。在整個(gè)接續(xù)工作中，必須嚴(yán)格執(zhí)行OTDR的4道監(jiān)測(cè)程序：熔接過(guò)程中對(duì)每一根光纖進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，檢查每個(gè)熔接點(diǎn)的質(zhì)量；每次盤(pán)纖后，對(duì)所盤(pán)光纖進(jìn)行檢驗(yàn)以確定盤(pán)纖帶來(lái)的附加損耗；封裝前對(duì)所有光纖進(jìn)行檢測(cè)，以查明有無(wú)漏測(cè)和對(duì)光纖及接頭有無(wú)擠壓；封裝后對(duì)所有光纖進(jìn)行最后檢測(cè)，檢查封裝是否對(duì)光纖有損耗[6]。
此外某些熔接機(jī)使用一種光纖成像和測(cè)量幾何參數(shù)的斷面排列系統(tǒng)，通過(guò)從兩個(gè)垂直方向觀察光纖，計(jì)算機(jī)處理并分析該圖像來(lái)確定包層偏移、纖芯畸變、光纖外徑變化和其他關(guān)鍵參數(shù)，使用這些參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)接頭的損耗。依賴于接頭和損耗評(píng)估算法求得的接續(xù)損耗可能與真實(shí)值差異很大。
9、總結(jié)
綜上建立一套光纖端面處理與熔接的流程如圖6所示。本文分類介紹了各種光纖損耗產(chǎn)生的原因，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了光纖端面質(zhì)量對(duì)光纖激光器輸出功率的影響，研究了光纖端面處理工藝流程，分析了光纖端面的切割和研磨方法，對(duì)光纖熔接過(guò)程提出了具體要求，為同類激光器的研制提供了參考依據(jù)。
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