2011年5月23日 星期一

光纖端面研磨處理工藝流程www.tool-tool.com

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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