光纖端面研磨處理工藝流程
本文主要分析了光纖端面處理熔接對光纖激光器功率影響，研究了光纖端面處理工藝流程，分析了光纖端面切割研磨方法，對光纖熔接過程提出了具體要求，為同類激光器研製提供了參考依據。
1、前言
經過處理光纖端面，理想狀態一個光滑平面。 光纖圓柱形介質波導由纖芯、包層塗敷層3部分組成，一般單模多模光纖纖芯直徑分別為5～15μm40～100μm，包層直徑大約為125~600μm。
2、光纖損耗種類
2.1光纖本徵損耗
所 謂模間色散，指光纖不同模式同一頻率下相位常數β不同，因此群速度不同而引起色散。多模光纖歸一化頻率V>2.404，有多個波導模式傳輸，V值越 大，模式越多，除了材料色散波導色散，還有模間色散，一般模間色散占主要地位。單模光纖本徵因素引起連接損耗大約為0.014dB，當模場直徑失配20% 時，將產生0.2dB連接損耗。單模光纖本徵因素，對連接損耗影響最大模場直徑。其單模光纖以基模傳輸，故沒有模間色散。光纖色散按照產生原因可分為三 類，即材料色散、波導色散模間色散。吸收損耗由於纖芯含有金屬過渡雜質OH-吸收光，特別紅外紫外光譜區玻璃存固有吸收。其散射損耗由於材料原子密度漲 落，冷凝過程造成密度不均勻以及密度漲落造成濃度不均勻而產生。 光纖本徵損耗即光纖固有損耗，主要由於光纖機基質材料石英玻璃本身缺陷含有金屬過渡雜質OH- ，使光傳輸過程產生散射、吸收色散，一般可分為散射損耗，吸收損耗色散損耗。
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，只要一項或多項失配，都將產生不同程度本徵損耗。
2.2光纖附加損耗
其輻射損耗由於光纖拉製工藝、光纖直徑、橢圓度波動、套塑層溫度變化脹縮塗層低溫收縮導致光纖微彎所致;應用損耗由於光纖張力、彎曲、擠壓造成宏彎微彎所引起損耗。 光纖附加損耗一般由輻射損耗應用損耗構成。
3、實驗裝置與結果
因 此如何降低腔內熔接損耗影響激光器輸出功率關鍵因素。熔接質量比較好情況下，總體光光效率可達5.3%，光纖焊接較差情況下，焊點漏光嚴重，用轉換片可以 看到明顯泵浦光洩露，嚴重影響總體光光效率，二者功率相差23%左右。但由於光纖激光器各個部件之間均熔接一起，插入損耗熔接損耗對整個系統具有非常大影 響。其光纖光柵心波長為1546.3nm，摻Er3+光纖長度為3m，摻雜濃度為400ppm，隔離器工作波長范圍為1535~1565nm，各元件插入 損耗均為0.4dB，經上述裝置輸出功率與輸入功率關係曲線，最大輸出功率可達16.9mW。 摻Er3+光纖環形腔激光器實驗裝置，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。
4、光纖端面處理
端面質量直接影響光纖激光器泵浦光耦合效率激光輸出功率。 光纖端面處理也稱為端面製備，光纖技術關鍵工序，主要包括剝覆、清潔切割三個環節。
4.1光纖塗覆層剝除
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，順次剝除表面塗敷層聚合物材料，採用這種方法克服了採用化學溶劑法 長時間浸泡光纖腐蝕嚴重缺點，而且比用剝線鉗或刀片直接刮除更容易、去除更乾淨，不易損傷光纖包層側面部分。當 採用剝線鉗剝除時，左手拇指食指捏緊光纖，所露長度為5cm左右，餘纖無名指小拇指之間自然打彎，以增加力度，防止打滑，剝線鉗應與光纖垂直，上方向內傾 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，整個過程要自然流暢，爭取一次成功;當採用刀片剝除時，首先用濃硫酸浸泡3 ~5cm長光纖端頭1~2分鐘，用酒精棉擦拭乾淨。可以用剝線鉗刀片兩種方法進行剝除。 去除光纖塗覆層光纖端面處理第一步。
4.2包層表面清潔
將 脫脂棉撕成層面平整扇形小塊，沾少許酒精(以兩指相捏無溢出為宜)，折成V形，夾住已剝覆光纖，順光纖軸向擦拭，力爭一次成功，一塊棉花使用2～3次後要 及時更換，每次要使用棉花不同部位層面，這樣既可提高棉花利用率，又防止對光纖包層表面二次污染。 觀察光纖剝除部分包層否全部去除，若有殘留必須去掉，如有極少量不易剝除塗覆層，可用棉球沾適量酒精，邊浸漬，邊擦除。
4.3光纖端面切割
切 割時動作要平穩自然，勿重、勿急，避免斷纖、斜角、毛刺裂痕等不良端面產生。使用筆式切割刀切割光纖時，光纖放置手指上，另一手持刀距離端頭5mm左右位 置處沿垂直光纖軸線方向切割光纖，然後輕輕將切除端頭取下;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V型槽定位壓板，並調整切刀位置 使其擺放平穩。常用切刀有筆式切割刀台式光纖切割刀。 切割光纖端面製備最關鍵步驟，精密優質切刀基礎，嚴格科學操作規範保證。
移動時要輕拿輕放，防止與其它物件擦碰。 表面清潔切割時間應緊密銜接，不可間隔過長，特別已製備端面切勿放污濁空氣。
5、光纖端面研磨
5.1研磨工藝
直接影響光纖端面研磨效果主要因素有：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(壓力時間)。其研磨及測試部分對研製優質光纖端面最為關鍵。 影響端面研磨質量主要因素主要有光纖安裝與定位、端面研磨檢查及測試。
採 用齒輪傳動方式，一般馬力較強，穩定性較高;採用皮帶傳動方式，一般馬力較小，其轉速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;採用連竿 式傳動方式，噪音較大，穩定性較低，機身容易抖動並且壓力偏低。 目前使用研磨機按其運轉原理一般可分成齒輪傳動，皮帶傳動及連竿傳動三類。
單點心加壓易受外界影響變化，如每盤件數有限;氣壓較難控制穩定性;而液壓操控較精確，力度相對較大，但價格昂貴。 加壓方面，有單點心加壓，氣壓及液壓等方式。
整個研磨過程，不論研磨機速度，壓力，水或研磨液，都會使研磨片效果不一樣，故選用研磨處理時，必須配合各項因素作全盤考慮，採用一個最合理研磨方案。
5.2研磨工序
其粗磨、磨、細磨所用金剛砂紙顆粒大小不同，分別為6，3，10.5。4道工序時間壓力總共8個參數，配用不同方案，就可以得到端面質量不同結果。 端面研磨過程經過4道工序：粗磨、磨、細磨、拋光。
6、光纖熔接
纖 芯/包層對準與端面製作一樣直接影響熔接損耗，熔接機會X軸Y軸方向上同時進行對準，並且把軸向、軸心偏差參數顯示屏幕上,如果誤差允許範圍之內就開始熔 接。機 器自動熔接機器開始熔接時，首先將左右兩側V型槽光纖相向推進，推進過程會產生一次短暫放電，其作用清潔光纖端面灰塵，接著會把光纖繼續推進，直至光纖間 隙處原先所設置位置上，這時熔接機測量切割角度，並把光纖端面附近放大圖像顯示屏幕上，如果出現圖4所示圖像就要重做。 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。
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，重新製作光纖端面後進行熔接，其具體實施方式如表1所示。 觀察熔接結果熔接過後機器會自動評估，並顯示當前熔接損耗，由於估計值，鼓顯示0.3dB以上就必須重新制端面。
如 果多次出現虛熔現象，應檢查熔接兩根光纖材料、型號否匹配，切刀熔接機否被灰塵污染，並檢查電極氧化狀況，若均無問題，則應適當提高熔接電流。 熔接過程還應及時清潔熔接機V形槽、電極、物鏡熔接室，隨時觀察熔接有無氣泡、過細、過粗、虛熔、分離等不良現象，可採用OTDR跟踪監測結果，及時分析 產生上述不良現象原因，採取相應改進措施。
將 預先穿置光纖某一端熱縮管移至光纖接頭處，使熔接點位於熱縮管間，輕輕拉直光纖接頭，放入加熱器內加熱，醋酸乙烯內管熔化，聚乙烯管收縮後緊套接續好光纖 上，由於此管內有一根不銹鋼棒，不僅增加了抗拉強度(承受拉力為1000～2300g)，同時也避免了因聚乙烯管收縮而可能引起接續部位微彎。熱縮管應剝 覆前穿入，嚴禁端面製備後穿入。 由於光纖連接時去掉了接頭部位塗覆層其機械強度降低，因此要對接頭部位進行補強保護，可採用光纖熱縮保護管(熱縮管)保護光纖接頭部位。
7、盤纖
根 據實際情況，可採用採用圓、橢圓、“∝”等多種圖形盤纖，按餘纖長度預留盤空間大小，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 低因盤纖帶來附加損耗。盤 纖方法有很多，可以從一側光纖盤起，固定熱縮管，然後再處理另一側餘纖，該方法可根據一側餘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放置於固定槽，然後再處理兩側餘纖，該方法有利於保護光纖接點，避免盤纖可能造成損害，光纖預留盤空間較小，光纖不易盤 繞固定時，常用此種方法;當個別光纖過長或過短時，可將其放最後單獨盤繞;帶有特殊光器件時，可將其單獨盤繞處理，若與普通光纖共盤時，應將其輕置於普通 光纖之上，兩者之間加緩衝襯墊，以防擠壓造成斷纖，且特殊光器件尾纖不可太長。 盤纖一門技術，科學盤纖方法可使光纖佈局合理、附加損耗小、經得住時間惡劣環境考驗，可避免擠壓造成斷纖。
8、光纖熔接點損耗測量
光纖熔接點損耗測量度量光纖接頭質量重要指標，使用光時域反射儀(OTDR)或熔接接頭損耗評估方案等測量方法可以確定光纖接頭光損耗。
整 個接續工作，必須嚴格執行OTDR4道監測程序：熔接過程對每一根光纖進行實時跟踪監測，檢查每個熔接點質量;每次盤纖後，對所盤光纖進行檢驗以確定盤纖 帶來附加損耗;封裝前對所有光纖進行檢測，以查明有無漏測對光纖及接頭有無擠壓;封裝後對所有光纖進行最後檢測，檢查封裝否對光纖有損耗。加強OTDR監 測，對確保光纖熔接質量，減少因盤纖帶來附加損耗封裝可能對光纖造成損耗，具有十分重要意義。如果從兩個方向測量接頭損耗，並求出這兩個結果平均值，便可 消除單向OTDR測量人為因素誤差。 OTDR原理：由於光纖模場直徑影響其後向散射，因此接頭兩邊光纖可能會產生不同後向散射，從而遮蔽接頭真實損耗。
依賴於接頭損耗評估算法求得接續損耗可能與真實值差異很大。 此外某些熔接機使用一種光纖成像測量幾何參數斷面排列系統，通過從兩個垂直方向觀察光纖，計算機處理並分析該圖像來確定包層偏移、纖芯畸變、光纖外徑變化其他關鍵參數，使用這些參數來評價接頭損耗。
9、總結
本文分類介紹了各種光纖損耗產生原因，通過實驗驗證了光纖端面質量對光纖激光器輸出功率影響，研究了光纖端面處理工藝流程，分析了光纖端面切割研磨方法，對光纖熔接過程提出了具體要求，為同類激光器研製提供了參考依據。
引用出處：
http://tw.myblog.yahoo.com/jw!7Mav3uaYFRbzCqsjBqSxj6xk/article?mid=2266
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