光纤熔接工艺流程及施工方法

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1、光纤熔接工艺流程及施工方法 . 、八 、- 1 1、前 言 光纤是圆柱形介质波导由纤芯、包层和涂敷层 3 3 部分组成，一般单模和多模光纤的 纤芯直径分别为 5 51515 叩和 4040100100 叩，包层直径大约为 125600125600 叩。经过处理的光纤 端面， 理想状态是一个光滑平面。 但实际中，光纤端面的加工往往不能达到理想状态， 例 如抛光不理想、 有划痕、表面或边缘破碎损伤等等， 都将使端面情况复杂化。 对于光纤与 激光器中其它元件的耦合以及光纤之间的熔接来说，要求光纤端部必须有光滑平整的表 面，否则会增大损耗。 2 2、光纤损耗种类 2.1 2.1 光纤本征损耗 光纤本征

2、损耗即光纤固有损耗，主要由于光纤机基质材料石英玻璃本身缺陷和含有 金属过渡杂质和 OHOH- ，使光在传输过程中产生散射、吸收和色散，一般可分为散射损耗， 吸收损耗和色散损耗。其中散射损耗是由于材料中原子密度的涨落，在冷凝过程中造成 密度不均匀以及密度涨落造成浓度不均匀而产生的。吸收损耗是由于纤芯含有金属过渡 杂质和 OHOH-吸收光，特别是在红外和紫外光谱区玻璃存在固有吸收。光纤色散按照产生的 原因可分为三类，即材料色散、波导色散和模间色散。其中单模光纤是以基模传输，故 没有模间色散。在单模光纤本征因素中，对连接损耗影响最大的是模场直径。单模光纤 本征因素引起的连接损耗大约为 0.014dB

3、0.014dB,当模场直径失配 20%20%时，将产生 0.2dB0.2dB 的连接 损耗。多模光纤的归一化频率 V2.40V2.404 4,有多个波导模式传输，V V 值越大，模式越多，除 了材料色散和波导色散，还有模间色散，一般模间色散占主要地位。所谓模间色散，是 指光纤不同模式在同一频率下的相位常数 B不同，因此群速度不同而引起的色散。 此外，光纤几何参数如光纤芯径、包层外径、芯 / /包层同心度、不圆度，光学参数如 相对折射率、最大理论数值孔径等，只要一项或多项失配，都将产生不同程度的本征损 耗。 2.2 2.2 光纤附加损耗 光纤的附加损耗一般由辐射损耗和应用损耗构成。其中辐射损耗是

4、由于光纤拉制工 艺、光纤直径、椭圆度的波动、套塑层温度变化的胀缩和涂层低温收缩导致光纤微弯所 致；应用损耗是由于光纤的张力、弯曲、挤压造成的宏弯和微弯所引起的损耗。 3 3、实验装置与结果 掺 ErEr3+ 光纤环形腔激光器实验装置， 泵浦光由波长 980nmLD 980nmLD 尾纤输出， 经波分复用 器（WDM WDM ）耦合进入环形光纤谐振腔，经过耦合器分光后输出激光。其中光纤光栅中心 波长为1546.1546.3nm,3nm,掺 E E 产光纤长度为 3m3m,掺杂浓度为 400ppm400ppm,隔离器工作波长范围为 1535156515351565nm,nm,各元件插入损耗均为0.

5、4dB0.4dB,经上述装置输出功率与输入功率的关系曲线， 最大输出功率可达16.9mW16.9mW。但由于光纤激光器各个部件之间均熔接在一起，插入损耗和 熔接损耗对整个系统具有非常大的影响。在熔接质量比较好的情况下,总体光光效率可 达 5.3%5.3%,在光纤焊接较差的情况下,焊点漏光严重,用转换片可以看到明显的泵浦光泄 露,严重影响总体光光效率,二者功率相差 23%23%左右。因此如何降低腔内熔接损耗是影 响激光器输出功率的关键因素。 4 4、光纤端面处理 光纤端面处理也称为端面制备,是光纤技术中的关键工序,主要包括剥覆、清洁和 切割三个环节。端面质量直接影响光纤激光器的泵浦光耦合效率和激

6、光输出功率。 4.1 4.1 光纤涂覆层的剥除 去除光纤涂覆层是光纤端面处理的第一步。 可以用剥线钳和刀片两种方法进行剥除。 当采用剥线钳剥除时,左手拇指和食指捏紧光纤,所露长度为 5cm 5cm 左右,余纤在无名指 和小拇指之间自然打弯,以增加力度,防止打滑,剥线钳应与光纤垂直,上方向内倾斜 一定角度,然后用钳口轻轻卡住光纤,右手随之用力,顺光纤轴向平推出去,整个过程 要自然流畅，争取一次成功；当采用刀片剥除时，首先用浓硫酸浸泡 35cm 35cm 长的光纤端 头 12 12 分钟，用酒精棉擦拭干净。左手捏紧光纤，持纤要平，防止打滑，右手用刀片沿 光纤向端头方向，与光纤成一定倾斜角度，顺次剥

7、除表面涂敷层聚合物材料，采用这种 方法克服了采用化学溶剂法长时间浸泡光纤腐蚀严重的缺点，而且比用剥线钳或刀片直 接刮除更容易、去除更干净，不易损伤光纤包层侧面部分。 4.2 4.2 包层表面的清洁 观察光纤剥除部分的包层是否全部去除，若有残留必须去掉，如有极少量不易剥除 的涂覆层，可用棉球沾适量酒精，边浸渍，边擦除。将脱脂棉撕成层面平整的扇形小块， 沾少许酒精（以两指相捏无溢出为宜），折成V形，夹住已剥覆的光纤，顺光纤轴向擦 拭，力争一次成功，一块棉花使用 2 23 3 次后要及时更换，每次要使用棉花的不同部位和 层面，这样既可提高棉花利用率，又防止对光纤包层表面的二次污染。 4.3 4.3

8、光纤端面切割 切割是光纤端面制备中最关键的步骤，精密优质的切刀是基础，严格科学的操作规 范是保证。常用切刀有笔式切割刀和台式光纤切割刀。使用笔式切割刀切割光纤时，光 纤放置在手指上，另一手持刀在距离端头 5mm5mm 左右的位置处沿垂直光纤轴线方向切割光 纤，然后轻轻将切除的端头取下；使用台式光纤切割刀进行操作时，首先要清洁切刀刀 片、放置光纤的 V V 型槽和定位压板，并调整切刀位置使其摆放平稳。切割时动作要平稳 自然，勿重、勿急，避免断纤、斜角、毛刺和裂痕等不良端面的产生。 表面的清洁和切割的时间应紧密衔接，不可间隔过长，特别是已制备的端面切勿放 在污浊的空气中。移动时要轻拿轻放，防止与其

9、它物件擦碰。 5 5、光纤端面研磨 5.1 5.1 研磨工艺 影响端面研磨质量的主要因素主要有光纤的安装与定位、端面研磨和检查及测试。 其中研磨及测试部分对研制优质光纤端面最为关键。直接影响光纤端面研磨效果的主要 因素有：研磨机运转稳定，研磨砂纸颗粒均匀、正确使用研磨片、以及研磨参数设置（压 力和时间）。 目前使用的研磨机按其运转原理一般可分成齿轮传动，皮带传动及连竿传动三类。 采用齿轮传动方式，一般马力较强，稳定性较高；采用皮带传动方式，一般马力较小， 其转速在高压情况下易发生变化，此外皮带随时间老化后容易出现问题；采用连竿式传 动方式，噪音较大，稳定性较低，机身容易抖动并且压力偏低。 在加

10、压方面，有单点中心加压， 气压及液压等方式。单点中心加压易受外界影响变化， 如 每盘件数有限；气压较难控制稳定性；而液压操控较精确，力度相对较大，但价格昂贵。 在整个研磨过程中，不论是研磨机的速度，压力，水或是研磨液，都会使研磨片的 效果不一样，故在选用研磨处理时，必须配合各项因素作全盘考虑，采用一个最合理的 研磨方案。 5.2 5.2 研磨工序 端面研磨过程经过 4 4 道工序：粗磨、中磨、细磨、抛光。其中粗磨、中磨、细磨所 用金刚砂纸的颗粒大小不同，分别为 6 6，3 3，1 1 和 0.50.5。4 4 道工序的时间和压力总共 8 8 个参 数，配用不同的方案，就可以得到端面质量不同的结

11、果。 6 6、光纤熔接 在把光纤放入熔接机V型槽时，要确保V型槽底部无异物且光纤紧贴V型槽底部。 机器自动熔接机器开始熔接时，首先将左右两侧V型槽中光纤相向推进，在推进过程中 会产生一次短暂放电，其作用是清洁光纤端面灰尘，接着会把光纤继续推进，直至光纤 间隙处在原先所设置的位置上，这时熔接机测量切割角度，并把光纤端面附近的放大图 像显示在屏幕上，如果出现图 4 4 所示的图像就要重做。纤芯 / /包层对准与端面制作一样直 接影响熔接损耗，熔接机会在X轴Y轴方向上同时进行对准，并且把轴向、轴心偏差参 数显示在屏幕上 , ,如果误差在允许范围之内就开始熔接。 观察熔接结果熔接过后机器会自动评估，并

12、显示当前熔接损耗，由于是估计值，鼓 显示在 0.3dB 0.3dB 以上就必须重新制端面。 在熔接过后， 还要进一步观察光纤熔接形状， 如果 出现如图 5 5 所示情况，必须调整机器设置，重新制作光纤端面后进行熔接，其具体实施 方式如表 1 1 所示。 熔接过程中还应及时清洁熔接机V形槽、电极、物镜和熔接室，随时观察熔接中有 无气泡、过细、过粗、虚熔、分离等不良现象，可采用 OTDR OTDR 跟踪监测结果，及时分析 产生上述不良现象的原因，采取相应的改进措施。如果多次出现虚熔现象，应检查熔接 的两根光纤的材料、型号是否匹配，切刀和熔接机是否被灰尘污染，并检查电极氧化状 况，若均无问题，则应适

13、当提高熔接电流。 由于光纤在连接时去掉了接头部位的涂覆层其机械强度降低，因此要对接头部位进 行补强保护，可采用光纤热缩保护管（热缩管）保护光纤接头部位。热缩管应在剥覆前 穿入，严禁在端面制备后穿入。将预先穿置光纤某一端的热缩管移至光纤接头处，使熔 接点位于热缩管中间，轻轻拉直光纤接头，放入加热器内加热，醋酸乙烯内管熔化，聚 乙烯管收缩后紧套在接续好的光纤上，由于此管内有一根不锈钢棒，不仅增加了抗拉强 度（承受拉力为 100010002300g2300g）,同时也避免了因聚乙烯管的收缩而可能引起接续部位的 微弯。 7 7、盘纤 盘纤是一门技术，科学的盘纤方法可使光纤布局合理、附加损耗小、经得住时间和 恶劣环境的考验，可避免挤压。