光纖端麵處理對光纖激光器的影響
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熱心網友QQ群1、前言
光纖是圓柱形介質波導由纖芯、包層和塗敷層3部分組成，一般單模和多模光纖的纖芯直徑分別為(wei) 5～15μm和40～100μm，包層直徑大約為(wei) 125~600μm。經過處理的光纖端麵，理想狀態是一個(ge) 光滑平麵。但實際中，光纖端麵的加工往往不能達到理想狀態，例如拋光不理想、有劃痕、表麵或邊緣破碎損傷(shang) 等等，都將使端麵情況複雜化。對於(yu) 光纖與(yu) 激光器中其它元件的耦合以及光纖之間的熔接來說，要求光纖端部必須有光滑平整的表麵，否則會(hui) 增大損耗。本文分類介紹了光纖損耗產(chan) 生的原因，通過實驗驗證了光纖端麵質量對光纖激光器輸出功率的影響，研究了光纖端麵處理工藝流程，分析了光纖端麵的切割和研磨方法，對光纖熔接過程提出了具體(ti) 要求，為(wei) 同類激光器的研製提供了參考依據。
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，主要由於(yu) 光纖機基質材料石英玻璃本身缺陷和含有金屬過渡雜質和OH-，使光在傳(chuan) 輸過程中產(chan) 生散射、吸收和色散，一般可分為(wei) 散射損耗，吸收損耗和色散損耗。其中散射損耗是由於(yu) 材料中原子密度的漲落，在冷凝過程中造成密度不均勻以及密度漲落造成濃度不均勻而產(chan) 生的。吸收損耗是由於(yu) 纖芯含有金屬過渡雜質和OH-吸收光，特別是在紅外和紫外光譜區玻璃存在固有吸收。光纖色散按照產(chan) 生的原因可分為(wei) 三類，即材料色散、波導色散和模間色散。其中單模光纖是以基模傳(chuan) 輸，故沒有模間色散。在單模光纖本征因素中，對連接損耗影響最大的是模場直徑。單模光纖本征因素引起的連接損耗大約為(wei) 0.014dB，當模場直徑失配20%時，將產(chan) 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(ge) 波導模式傳(chuan) 輸，V值越大，模式越多，除了材料色散和波導色散，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β不同，因此群速度不同而引起的色散。
此外，光纖幾何參數如光纖芯徑、包層外徑、芯/包層同心度、不圓度，光學參數如相對折射率、最大理論數值孔徑等，隻要一項或多項失配，都將產(chan) 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用損耗構成。其中輻射損耗是由於(yu) 光纖拉製工藝、光纖直徑、橢圓度的波動、套塑層溫度變化的脹縮和塗層低溫收縮導致光纖微彎所致；應用損耗是由於(yu) 光纖的張力、彎曲、擠壓造成的宏彎和微彎所引起的損耗。
3、實驗裝置與(yu) 結果
摻Er3+光纖環形腔激光器實驗裝置如圖1所示，泵浦光由波長980nmLD尾纖輸出，經波分複用器（WDM）耦合進入環形光纖諧振腔，經過耦合器分光後輸出激光。其中光纖光柵中心波長為(wei) 1546.3nm，摻Er3+光纖長度為(wei) 3m，摻雜濃度為(wei) 400ppm，隔離器工作波長範圍為(wei) 1535~1565nm，各元件插入損耗均為(wei) 0.4dB，經上述裝置輸出功率與(yu) 輸入功率的關(guan) 係曲線如圖2所示，最大輸出功率可達16.9mW。但由於(yu) 光纖激光器各個(ge) 部件之間均熔接在一起，插入損耗和熔接損耗對整個(ge) 係統具有非常大的影響。在熔接質量比較好的情況下，總體(ti) 光光效率可達5.3%，在光纖焊接較差的情況下，焊點漏光嚴(yan) 重，用轉換片可以看到明顯的泵浦光泄露，嚴(yan) 重影響總體(ti) 光光效率，二者功率相差23%左右。因此如何降低腔內(nei) 熔接損耗是影響激光器輸出功率的關(guan) 鍵因素。
4、光纖端麵處理
光纖端麵處理也稱為(wei) 端麵製備，是光纖技術中的關(guan) 鍵工序，主要包括剝覆、清潔和切割三個(ge) 環節。端麵質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光纖塗覆層的剝除
去除光纖塗覆層是光纖端麵處理的第一步。可以用剝線鉗和刀片兩(liang) 種方法進行剝除。當采用剝線鉗剝除時，左手拇指和食指捏緊光纖，所露長度為(wei) 5cm左右，餘(yu) 纖在無名指和小拇指之間自然打彎，以增加力度，防止打滑，剝線鉗應與(yu) 光纖垂直，上方向內(nei) 傾(qing) 斜一定角度，然後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(ge) 過程要自然流暢，爭(zheng) 取一次成功；當采用刀片剝除時，首先用濃硫酸浸泡3~5cm長的光纖端頭1~2分鍾，用酒精棉擦拭幹淨[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(yu) 光纖成一定傾(qing) 斜角度，順次剝除表麵塗敷層聚合物材料，采用這種方法克服了采用化學溶劑法長時間浸泡光纖腐蝕嚴(yan) 重的缺點，而且比用剝線鉗或刀片直接刮除更容易、去除更幹淨，不易損傷(shang) 光纖包層側(ce) 麵部分。
4.2包層表麵的清潔
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塗覆層，可用棉球沾適量酒精，邊浸漬，邊擦除。將脫脂棉撕成層麵平整的扇形小塊，沾少許酒精（以兩(liang) 指相捏無溢出為(wei) 宜），折成Ｖ形，夾住已剝覆的光纖，順光纖軸向擦拭，力爭(zheng) 一次成功，一塊棉花使用2～3次後要及時更換，每次要使用棉花的不同部位和層麵，這樣既可提高棉花利用率，又防止對光纖包層表麵的二次汙染。
4.3光纖端麵切割
切割是光纖端麵製備中最關(guan) 鍵的步驟，精密優(you) 質的切刀是基礎，嚴(yan) 格科學的操作規範是保證。常用切刀有筆式切割刀和台式光纖切割刀。使用筆式切割刀切割光纖時，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，然後輕輕將切除的端頭取下；使用台式光纖切割刀進行操作時，首先要清潔切刀刀片、放置光纖的V型槽和定位壓板，並調整切刀位置使其擺放平穩。切割時動作要平穩自然，勿重、勿急，避免斷纖、斜角、毛刺和裂痕等不良端麵的產(chan) 生 [3]。
表麵的清潔和切割的時間應緊密銜接，不可間隔過長，特別是已製備的端麵切勿放在汙濁的空氣中。移動時要輕拿輕放，防止與(yu) 其它物件擦碰。
5、光纖端麵研磨
5.1研磨工藝
影響端麵研磨質量的主要因素主要有光纖的安裝與(yu) 定位、端麵研磨和檢查及測試。其中研磨及測試部分對研製優(you) 質光纖端麵最為(wei) 關(guan) 鍵。直接影響光纖端麵研磨效果的主要因素有：研磨機運轉穩定，研磨砂紙顆粒均勻、正確使用研磨片、以及研磨參數設置（壓力和時間）[4]。
目前使用的研磨機按其運轉原理一般可分成齒輪傳(chuan) 動，皮帶傳(chuan) 動及連竿傳(chuan) 動三類。采用齒輪傳(chuan) 動方式，一般馬力較強，穩定性較高；采用皮帶傳(chuan) 動方式，一般馬力較小，其轉速在高壓情況下易發生變化，此外皮帶隨時間老化後容易出現問題；采用連竿式傳(chuan) 動方式，噪音較大，穩定性較低，機身容易抖動並且壓力偏低。
在加壓方麵，有單點中心加壓，氣壓及液壓等方式。單點中心加壓易受外界影響變化，如每盤件數有限；氣壓較難控製穩定性；而液壓操控較精確，力度相對較大，但價(jia) 格昂貴。
在整個(ge) 研磨過程中，不論是研磨機的速度，壓力，水或是研磨液，都會(hui) 使研磨片的效果不一樣，故在選用研磨處理時，必須配合各項因素作全盤考慮，采用一個(ge) 最合理的研磨方案。
5.2研磨工序
端麵研磨過程經過4道工序：粗磨、中磨、細磨、拋光。其中粗磨、中磨、細磨所用金剛砂紙的顆粒大小不同，分別為(wei) 6，3，1和0.5[5]。4道工序的時間和壓力總共8個(ge) 參數，配用不同的方案，就可以得到端麵質量不同的結果。改變研磨過程中這8個(ge) 參數得出最佳方案研磨光纖端麵圖如圖3所示。
6、光纖熔接
在把光纖放入熔接機Ｖ型槽時，要確保Ｖ型槽底部無異物且光纖緊貼Ｖ型槽底部。機器自動熔接機器開始熔接時，首先將左右兩(liang) 側(ce) Ｖ型槽中光纖相向推進，在推進過程中會(hui) 產(chan) 生一次短暫放電，其作用是清潔光纖端麵灰塵，接著會(hui) 把光纖繼續推進，直至光纖間隙處在原先所設置的位置上，這時熔接機測量切割角度，並把光纖端麵附近的放大圖像顯示在屏幕上，如果出現圖4所示的圖像就要重做。纖芯/包層對準與(yu) 端麵製作一樣直接影響熔接損耗，熔接機會(hui) 在Ｘ軸Ｙ軸方向上同時進行對準，並且把軸向、軸心偏差參數顯示在屏幕上,如果誤差在允許範圍之內(nei) 就開始熔接。
觀察熔接結果熔接過後機器會(hui) 自動評估，並顯示當前熔接損耗，由於(yu) 是估計值，鼓顯示在0.3dB以上就必須重新製端麵。在熔接過後，還要進一步觀察光纖熔接形狀，如果出現如圖5所示情況，必須調整機器設置，重新製作光纖端麵後進行熔接，其具體(ti) 實施方式如表1所示。
熔接過程中還應及時清潔熔接機Ｖ形槽、電極、物鏡和熔接室，隨時觀察熔接中有無氣泡、過細、過粗、虛熔、分離等不良現象，可采用OTDR跟蹤監測結果，及時分析產(chan) 生上述不良現象的原因，采取相應的改進措施。如果多次出現虛熔現象，應檢查熔接的兩(liang) 根光纖的材料、型號是否匹配，切刀和熔接機是否被灰塵汙染，並檢查電極氧化狀況，若均無問題，則應適當提高熔接電流。
由於(yu) 光纖在連接時去掉了接頭部位的塗覆層其機械強度降低，因此要對接頭部位進行補強保護，可采用光纖熱縮保護管（熱縮管）保護光纖接頭部位。熱縮管應在剝覆前穿入，嚴(yan) 禁在端麵製備後穿入。將預先穿置光纖某一端的熱縮管移至光纖接頭處，使熔接點位於(yu) 熱縮管中間，輕輕拉直光纖接頭，放入加熱器內(nei) 加熱，醋酸乙烯內(nei) 管熔化，聚乙烯管收縮後緊套在接續好的光纖上，由於(yu) 此管內(nei) 有一根不鏽鋼棒，不僅(jin) 增加了抗拉強度（承受拉力為(wei) 1000～2300g），同時也避免了因聚乙烯管的收縮而可能引起接續部位的微彎。
7、盤纖
盤纖是一門技術，科學的盤纖方法可使光纖布局合理、附加損耗小、經得住時間和惡劣環境的考驗，可避免擠壓造成斷纖。盤纖方法有很多，可以從(cong) 一側(ce) 的光纖盤起，固定熱縮管，然後再處理另一側(ce) 餘(yu) 纖，該方法可根據一側(ce) 餘(yu) 纖長度靈活選擇熱縮管安放位置，方便、快捷，可避免出現急彎、小圈現象；也可以先將熱縮套管逐個(ge) 放置於(yu) 固定槽中，然後再處理兩(liang) 側(ce) 餘(yu) 纖，該方法有利於(yu) 保護光纖接點，避免盤纖可能造成的損害，在光纖預留盤空間較小，光纖不易盤繞和固定時，常用此種方法；當個(ge) 別光纖過長或過短時，可將其放在最後單獨盤繞；帶有特殊光器件時，可將其單獨盤繞處理，若與(yu) 普通光纖共盤時，應將其輕置於(yu) 普通光纖之上，兩(liang) 者之間加緩衝(chong) 襯墊，以防擠壓造成斷纖，且特殊光器件尾纖不可太長。根據實際情況，可采用采用圓、橢圓、“∝”等多種圖形盤纖，按餘(yu) 纖長度和預留盤空間大小，順勢自然盤繞，切勿生拉硬拽，盡可能最大限度利用預留盤空間，有效降低因盤纖帶來的附加損耗。
8、光纖熔接點損耗的測量
光纖熔接點損耗的測量是度量光纖接頭質量的重要指標，使用光時域反射儀(yi) （OTDR）或熔接接頭的損耗評估方案等測量方法可以確定光纖接頭的光損耗。
OTDR的原理是：由於(yu) 光纖的模場直徑影響其後向散射，因此在接頭兩(liang) 邊的光纖可能會(hui) 產(chan) 生不同的後向散射，從(cong) 而遮蔽接頭的真實損耗。如果從(cong) 兩(liang) 個(ge) 方向測量接頭的損耗，並求出這兩(liang) 個(ge) 結果的平均值，便可消除單向OTDR測量的人為(wei) 因素誤差。加強OTDR的監測，對確保光纖熔接質量，減少因盤纖帶來的附加損耗和封裝可能對光纖造成的損耗，具有十分重要的意義(yi) 。在整個(ge) 接續工作中，必須嚴(yan) 格執行OTDR的4道監測程序：熔接過程中對每一根光纖進行實時跟蹤監測，檢查每個(ge) 熔接點的質量；每次盤纖後，對所盤光纖進行檢驗以確定盤纖帶來的附加損耗；封裝前對所有光纖進行檢測，以查明有無漏測和對光纖及接頭有無擠壓；封裝後對所有光纖進行最後檢測，檢查封裝是否對光纖有損耗[6]。
此外某些熔接機使用一種光纖成像和測量幾何參數的斷麵排列係統，通過從(cong) 兩(liang) 個(ge) 垂直方向觀察光纖，計算機處理並分析該圖像來確定包層偏移、纖芯畸變、光纖外徑變化和其他關(guan) 鍵參數，使用這些參數來評價(jia) 接頭的損耗。依賴於(yu) 接頭和損耗評估算法求得的接續損耗可能與(yu) 真實值差異很大。
9、總結
綜上建立一套光纖端麵處理與(yu) 熔接的流程如圖6所示。本文分類介紹了各種光纖損耗產(chan) 生的原因，通過實驗驗證了光纖端麵質量對光纖激光器輸出功率的影響，研究了光纖端麵處理工藝流程，分析了光纖端麵的切割和研磨方法，對光纖熔接過程提出了具體(ti) 要求，為(wei) 同類激光器的研製提供了參考依據。
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