CN101183161A - 不同组分玻璃光纤的熔接方法 - Google Patents

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杨昌盛
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Abstract

本发明公开了一种不同组分玻璃光纤的熔接方法，利用气流垂直吹动放电电弧形成温度梯度场，使具有不同热熔性的光纤同时熔融并实现永久连接。将两根光纤对称放置在一对放电电极之间，将低熔融温度的光纤置于一通气管中，或将通气管与低熔融温度光纤平行放置。通过气体吹弧，调整气流的大小获得合适的温度梯度场，该温度场能使处于电极两侧不同熔融温度的光纤能够同时呈现熔融状态，接触后形成低损耗、高强度的连接头。本发明的优点是，可调谐范围大，能够熔接传统方法不能熔接的热性能不同的光纤。

Description

不同组分玻璃光纤的熔接方法
技术领域
本发明涉及一种玻璃光纤的熔接方法，尤其是一种不同组分玻璃光纤的熔接方法。
背景技术
具有优异性能的多组分玻璃光纤及器件对于提高下一代全光网络的性能具有重要意义，并且还有助于实现光电子器件的小型化、集成化、高性能化和多功能化。但新型多组分玻璃光纤及器件的出现也带来一个问题：如何将多组分玻璃光纤及器件接入到现有以标准石英玻璃光纤组成的网络中(世界各国投入几千亿美元建设而成的庞大光纤网)？也即如何实现多组分玻璃光纤与石英光纤间(即热熔性不同的玻璃光纤)的连接与耦合，是多组分玻璃光纤能否实用化的最后一道关键和制约因素。
目前光纤的熔接主要是针对石英玻璃光纤的熔接，由于石英玻璃光纤具有相同的热熔性，因此一般采用对称电弧或对称加热熔接技术。但多组分玻璃光纤与石英光纤在熔融温度、热膨胀系数等方面具有较大差异，不能使用对称熔接技术。图1表示在传统电弧熔接过程中，需要连接的两光纤端面与熔接设备的一对电极处于对称的位置。在该图中，光纤熔接机的V型槽用于放置需要连接的磷酸盐玻璃光纤10和剥除涂覆层的石英光纤21，打开夹具固定两光纤。放电电极31、32提供加热的热量。当开始熔接时，该电极放电产生的热量加热光纤10、20的端面，使光纤端面的玻璃熔融软化，再接触到一起实现连接。如表1所示磷酸盐玻璃与石英玻璃材料的软化温度差异很大，这种传统的对称熔接方式无法实现两者的熔融连接。为了熔接不同模场直径的石英玻璃光纤，康宁公司(专利申请号：CN99811355.7)和艾利森电话股份有限公司(专利申请号：200480026815.1)分别采用非对称熔接技术，即将放电电极偏离中心位置一定距离，使高温场处于低模场直径(MFD)光纤一侧，而大模场直径光纤处于低温端，对光纤进行熔接。利用该方法可以实现多组分玻璃光纤与石英光纤的熔接，但由于多组分玻璃光纤与石英光纤的熔融温度相差较大，低熔点的多组分玻璃光纤熔融时，石英玻璃光纤基本没有变化，因此利用这种非对称方法熔接的光纤接头损耗很大，强度非常低，不能满足使用的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种不同组分玻璃光纤的熔接方法，本发明采用气体吹弧的方式，利用吹弧形成的温度梯度场实现不同热性能光纤之间的熔接。
本发明不同组分玻璃光纤的熔接方法，是利用气流垂直吹动放电电弧形成温度梯度场，使具有不同热熔性的光纤同时熔融并实现永久连接。将两根光纤对称放置在一对放电电极之间，如图1所示。将低熔融温度的光纤置于一通气管中如图2所示，或将通气管与低熔融温度光纤平行放置。根据熔接光纤材料热熔融特性不同，通过气体吹弧，调整气流的大小获得合适的温度梯度场，该温度场能使处于电极两侧不同熔融温度的光纤能够同时呈现熔融状态，接触后形成低损耗、高强度的连接头。所述低熔融温度的光纤的熔融温度为200-2000℃。所述低熔融温度的光纤的熔融温度为2000-2500℃。所述温度梯度场根据所述光纤的熔融温度确定，由气体压力调节。
本发明的优点是，可调谐范围大，能够熔接传统方法不能熔接的热性能不同的光纤。通过调节的气流大小，可以在很大范围内调节温度梯度场，实现熔融温度相差较大光纤的连接，如氟化物玻璃光纤(软化温度一般为400～500℃)与石英玻璃光纤(软化温度大于1600℃)。
附图说明
图1为传统电极对称方式加热光纤示意图。
图2为气体吹弧工艺加热光纤示意图。
图3为磷酸盐玻璃光纤与石英光纤熔融连接截面局部放大图。
图4为熔接损耗监视示意图。
图5为接头熔接损耗分布图。
图6为接头相对抗弯强度分布图。
具体实施方式
以低熔融温度的磷酸盐玻璃光纤与标准石英玻璃光纤之间的熔接为例，但不限于这两种光纤之间的熔接。磷酸盐玻璃光纤与石英光纤的热性能参数如表1所示。
                  表1
  玻璃   磷酸盐   石英
  折射率(nd)转变温度(℃)软化温度(℃)热膨胀系数(×107/℃)单模光纤纤芯直径(μm)   1.5～1.8350～600450～70065～1405～7   1.45～1.481000～12001600～17505.0～5.88～10
依照本发明，采用吹弧加热结构熔接两根光纤，如图2所示。剥除涂覆层的石英光纤21和磷酸盐玻璃光纤10小心放置于熔接机的V型槽内，夹具移动装置调节两光纤的位置，使两光纤端面对称放置于电极电弧中心处。放电电极31、32在此沿光纤轴线的正交方向。两光纤经过初步定位、对准后，将吹弧气管与磷酸盐光纤10平行放置或利用一气槽结构覆盖在磷酸盐玻璃光纤10上，气体压力由阀门60控制，打开阀门60在吹口61处形成高压气流。当电极31、32开始放电后，高速气流将熔融区34的电弧迅速吹弯吹长，形成不对称的温度梯度场34，使得石英光纤端面处于高温区，磷酸盐玻璃光纤端面处于低温区。两光纤10、20的端面都处于熔融状态，经夹具移动装置推进后，两光纤端面接合在一起，在结合过程中，高压气流又同时起到冷却作用，防止处于高温的石英光纤20将热量传递给磷酸盐光纤10。并且，温度梯度场34起到扩大磷酸盐玻璃光纤模场直径11的作用，与石英光纤的模场直径更好地匹配，减小了熔接后的接头连接损耗，如图3所示。
如图4所示，采用功率计检测光纤纤芯之间对准情况，以实现光纤之间连接的低损耗。先将磷酸盐玻璃光纤10和一根带连接头的剥覆后的石英光纤20在熔接的V型槽内定位、对准，直至激光器42发出的光在光功率计41上显示最大值，此时说明两根光纤的纤芯已经精确对准，开始放电熔接，获得低损耗、高强度接头51。
通过优化熔接工艺参数，主要是吹弧的气体流量以及光纤对准工艺，磷酸盐玻璃光纤与石英光纤获得了接头连接损耗最小为0.3dB的良好结果。图5示出了熔接的磷酸盐玻璃光纤与石英光纤接头熔接损耗值。从光纤的结构和性能参数计算这两种光纤的熔接损耗最小为1.5dB，而实际熔接损耗远小于1.5dB，主要是因为在熔接过程中磷酸盐玻璃光纤纤芯的热膨胀减小了光纤之间的模场差异，这也是熔接过程中熔接损耗变化较大的原因。由此可以认为：通过设计合理结构的光纤以及稳定地控制工艺参数可以获得更低损耗的连接头。另外，本发明测试了熔接后接头的两点抗弯强度。首先测出未熔接前的磷酸盐玻璃光纤的弯曲直径，再将熔接后的光纤置于带螺旋移动装置的光滑平台上，测得它的弯曲直径与未熔接前的进行比较，得到相对抗弯强度。图6示出了接头两点抗弯相对强度分布，大部分接头的相对强度都大于80％，说明熔接接头具有较高的强度。

Claims (6)

1.一种不同组分玻璃光纤的熔接方法，其特征在于，将两根光纤对称放置在一对放电电极之间，将低熔融温度的光纤200-2000置于通气管中或将低熔融温度光纤与通气管平行放置，通过气体吹弧产生温度梯度场。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电极处于相互对称的位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体吹弧的方向是沿光纤轴向方向，从低熔融温度光纤到高熔融温度光纤。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述低熔融温度的光纤的熔融温度为200-2000℃。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述低熔融温度的光纤的熔融温度为2000-2500℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述温度梯度场根据所述光纤的熔融温度确定，由气体压力调节。
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