CN101408644A - 高可靠光纤耦合器制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高可靠光纤耦合器制备方法，包括下列步骤：(1)采用平行烧结强熔拉锥工艺制备光纤耦合器，通过拉力检测光纤耦合器烧结完成后的纵向抗拉强度，要求其纵向抗拉强度值大于1N；(2)利用热固化胶将烧结后的光纤耦合器两端固定在石英U型槽中，并在石英槽两端内部填充紫外胶，缩短中间光纤悬空长度；(3)将所述的光纤耦合器套在石英圆管中，石英圆管两端用热固化胶固定；(4)对所述的光纤耦合器进行高温处理，所述的高温处理为首先在温度83～87℃条件下，贮存2～3小时；然后在温度108～112℃条件下，贮存1～2小时；(5)在石英圆管上涂硅橡胶后套不锈钢管，将不锈钢管两端密封。

Description

高可靠光纤耦合器制备方法

技术领域

本发明涉及一种光纤耦合器的制备方法，光纤耦合器对光信号起到进行分路和合路的作用，在光纤陀螺、光纤水听器、光纤电流传感器等光纤传感领域有着广泛的应用。

背景技术

光纤耦合器对光信号起到进行分路和合路的作用，在光纤通信，光纤陀螺、光纤水听器、光纤电流传感器等光纤传感领域有着广泛的应用。

熔融拉锥法制备光纤耦合器就是将两根去除涂覆层的光纤平行或扭结并靠在一起，利用火焰加热使光纤熔融，同时以一定的速度向两侧拉伸，在光纤局部加热区形成拉锥形状，渐逝场向外扩展而实现传输功率的耦合。熔融拉锥法具有易于批量生产、结构牢固、环境性能好、附加损耗低等优点。但熔融烧结工艺中火焰的温度场及拉伸速度参数控制，会对烧结后的光纤强度产生影响，传统制备工艺中，没有光纤强度检测工艺要求，且对耦合器内部光纤悬空长度没有进行控制，因此，仅能保证一定抗冲击强度的要求，不能满足高抗冲击性能要求。

另外，扭烧工艺过程将两根光纤通过扭结使其并紧在一起，在两端的扭结点处，扭应力较大，尤其是制备小尺寸耦合器时，两个扭结点距离较近，扭应力更大；而且耦合器锥区两侧在烧结过程中，处于火焰外侧边缘处，光纤内应力也较大，因此，在受到外界冲击应力作用下较容易发生耦合臂断裂失效，耦合器的可靠性较低。采用平行烧结工艺后，避免了扭烧应力问题，大大提高了可靠性。同时，剥离光纤涂层时，采用热剥工艺或其它无损剥除工艺，剥离后进行光纤包层质量检查；拉锥完成后进行内部光纤质量监控检查，可进一步提高光纤耦合器的可靠性。

烧结完光纤耦合器以后要进行封装，传统的封装方式是先将光纤两端带有涂层光纤部分固定在石英槽中，然后将石英槽套在石英圆管内，最后再套上不锈钢管进行保护，两端用胶封装，这种封装方式没有考虑减震措施，光纤耦合器的抗冲击性能较差，很难满足有高抗冲击环境(冲击加速度大于3000g，冲击频率1000～5000Hz)的应用要求。

中国专利92108997.X，发明名称“一种加强光纤耦合器的方法”中采用了加强基底方式提高光纤耦合器的可靠性；中国专利94100528.3，发明名称“光纤耦合器保护结构及其保护方法”，通过一个由具有光纤相同热膨胀系数的材料构成的盒子以及支撑光纤的突起部分来封装光纤耦合器。以上两个专利中提到的方法，封装工艺较复杂，封装材料成本高，主要解决了光纤耦合器的温度稳定性，封装结构可靠性和抗高冲击性能没有描述。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种光纤耦合器的制备方法，该方法可以提高光纤耦合器的可靠性。

本发明的技术解决方案是：高可靠光纤耦合器制备方法，包括下列步骤：

(1)采用平行烧结强熔拉锥工艺制备光纤耦合器，通过拉力检测光纤耦合器烧结完成后的纵向抗拉强度，要求其纵向抗拉强度值大于1N；

(2)利用热固化胶将烧结后的光纤耦合器两端固定在石英U型槽中，并在石英槽两端内部填充紫外胶，缩短中间光纤悬空长度；

(3)将所述的光纤耦合器套在石英圆管中，石英圆管两端用热固化胶固定；

(4)对所述的光纤耦合器进行高温处理，所述的高温处理为首先在温度83～87℃条件下，贮存2～3小时；然后在温度108～112℃条件下，贮存1～2小时；

(5)在石英圆管上涂硅橡胶后套不锈钢管，将不锈钢管两端密封。

所述步骤(1)中的平行烧结强熔拉锥工艺中，光纤涂层采用热剥离方式处理，火焰中心温度要求大于1500℃，烧结完成后光纤纵向抗拉强度大于1N。

所述的热固化胶采用环氧树脂胶。

所述步骤(2)中的在石英槽两端内部填充紫外胶，采用低玻璃化温度的紫外胶，玻璃化温度低于-50℃。

所述步骤(5)中的石英圆管外径与不锈钢管内径之差至少为0.6mm。

所述步骤(5)中的涂硅橡胶厚度在0.3mm以上。

本发明的工作原理是：光纤耦合器的工作原理是基于“渐逝场”理论和光波导模式耦合理论。光纤耦合器的制作方法是将两根去除涂覆层的光纤通过扭结或平行方式并靠在一起，在高温下加热使光纤熔融，同时以一定的速度向两侧拉伸，光纤局部加热区的光纤逐渐变细，形成拉锥形状，渐逝场向外扩展而实现传输功率的耦合。将一根光纤看作是另一光纤的扰动，在弱耦合近似下，耦合方程组为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{d{A}_1\left(z\right)}{\mathrm{dz}}=i({\mathrm{\β}}_1+C_{11})A_1+i{C}_{12}{A}_2\\ \frac{d{A}_2\left(z\right)}{\mathrm{dz}}=i({\mathrm{\β}}_2+C_{22})A_2+i{C}_{21}{A}_1\end{array}\right.$

式中，A₁、A₂分别是两根光纤的模场振幅，β₁、β₂是两根光纤在独立状态的传播常数，C₀是耦合系数。实际上自耦合系数相对于互耦合系数可以忽略，近似有C₁₁＝C₂₂＝C₀。

在边界条件z＝0时，A₁(z)＝A₁(0)、A₂(z)＝A₂(0)。

两端口相对功率与拉伸长度的关系曲线，如图1所示(图中a代表主光纤，b代表副光纤)：随着拉伸长度的增加，两根光纤开始靠近，当靠近到一定程度的时候，光开始在两根光纤之间耦合。并且，随着拉伸长度延长，光的耦合量也发生变化。

由于光纤耦合器烧结完成后，是在一定的张力情况下悬空固定在U型石英槽内，是一种弦的结构，存在一定的固有谐振频率，且固有谐振频率与光纤的弦长相关，光纤弦长越大，固有谐振频率就越低，抗冲击性能就越差。

通过对2×2型不同弦长的光纤耦合器固有频率进行理论分析，可以得出以下数据：

表1  2×2型光纤耦合器固有频率与光纤弦长的关系

光纤耦合器在受到垂直与光纤轴向的冲击力作用下，其受力模型可以采用材料力学理论进行分析，为简化模型分析，将耦合器内部两根烧结在一起的光纤等效成一根均匀的一定长度的两端固定的梁来进行理论分析，光纤耦合器横向受力分析模型如图2所示。

由图2可得到，反弯点在0.211l和0.789l处。

$M_{\max }=\frac{{\mathrm{ql}}^2}{24}---\left(1\right)$

上式中，M_max-最大弯矩，单位为N·m；

Q-剪切力(N)

l-弦长(m)

q-均布载荷(N/m)

A、B两端的剪切力为：

$Q_A=\frac{\mathrm{ql}}{2},$ $Q_B=-\frac{\mathrm{ql}}{2}---\left(2\right)$

A、B两点的切应力为：

$\mathrm{\τ}=\frac{4}{3}\frac{Q_A}{A},$ $\mathrm{\τ}=\frac{4}{3}\frac{Q_B}{A}---\left(3\right)$

上式中，A为光纤的圆截面面积。

当切应力达到光纤材料的强度极限时，发生脆性断裂，此时有下式：

$\mathrm{\τ}=\frac{4}{3}\frac{Q_A}{A}=\frac{2}{3}\frac{\mathrm{ql}}{A}={\mathrm{\σ}}_b---\left(4\right)$

上式中，σ_b为光纤材料的强度极限(屈服强度)，单位为MPa。

当悬梁受到加速度为α的冲击时，(4)可写成：

$\frac{2}{3}\frac{\frac{\mathrm{Adx\ρ\α}}{\mathrm{dx}}l}{A}=\frac{2}{3}\mathrm{\ρ\αl}={\mathrm{\σ}}_b---\left(5\right)$

(5)式中dx为分布载荷单位长度，ρ为光纤材料密度。悬梁能够承受的理论加速度为：

$\mathrm{\α}=\frac{3}{2}\frac{{\mathrm{\σ}}_b}{\mathrm{\ρl}}---\left(6\right)$

由(6)式可知，光纤耦合器承受的冲击加速度水平与光纤的弦梁长度成反比。

取ρ＝2.5g/cm³，l＝30mm，σ_b＝40MPa，则理论上光纤耦合器能承受的冲击加速度为80000g。

受力分析模型图上，截面上部受压，下部受拉，最大弯矩M_max与受力大小成正比，与弦长的平方成正比，减小弦长可以降低最大弯矩和横向剪切力。由于光纤剥除涂覆层后，抗弯曲性能和抗横向剪切性能变差，因此，缩短弦长可以大大提高光纤耦合器的抗冲击性能。

熔融拉锥法制备光纤耦合器就是将两根去除涂覆层的光纤平行并靠在一起，利用氢氧焰在高温下加热使光纤熔融，同时以一定的速度向两侧拉伸，在光纤局部加热区形成拉锥形状，渐逝场向外扩展而实现传输功率的耦合。熔融拉锥法具有易于批量生产、结构牢固、环境性能好、附加损耗低等优点。本发明采用平行烧结强熔拉锥方法制备光纤耦合器，烧结完成后，通过拉力检测未进行封装固化的耦合器纵向抗拉强度，使光纤耦合器纵向抗拉强度值超过1N，且封装过程中将光纤耦合器固定在石英U型槽中，通过在耦合区两侧填充紫外胶，缩短了光纤悬空长度，提高了光纤耦合器的抗冲击能力和谐振频率，并对耦合器内部两臂薄弱部位进行匹配保护。增大不锈钢管内外径尺寸，在石英圆管与不锈钢管之间填充硅橡胶，达到减震效果，总体上提高了光纤耦合器的可靠性性能。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明采用平行烧结强熔拉锥工艺，避免扭结烧结工艺存在的大内应力缺陷，使烧结光纤耦合器的火焰温度高于1500℃，光纤涂层采用热剥离方式处理，提高了光纤耦合器的烧结强度，并且采用拉力检测耦合器纵向抗拉强度，要求耦合器纵向抗拉强度值超过1N，保证耦合器内光纤的高强度，提高了耦合器的可靠性。

(2)本发明在耦合区两侧填充紫外胶，保护光纤耦合器耦合区两侧薄弱的耦合臂部位，缩短了光纤的悬空长度，提高了光纤耦合器谐振频率、抗冲击能力和可靠性。

(3)本发明石英圆管外径与不锈钢管内径之间距离至少0.6mm，且之间均匀的涂抹硅橡胶，与现有技术石英圆管外直接套不锈钢管相比，增大石英圆管与不锈钢管的间隙，填充一定厚度的硅橡胶层达到减震效果，提高器件抗冲击能力。

(4)本发明对封装后的耦合器进行高温处理，有效地释放光纤耦合器在熔融拉锥过程中和点胶固化过程中产生的内应力，提高了光纤耦合器的温度性能稳定性和可靠性。

(5)本发明制备方法涉及的光纤耦合器类型可以为2×2(1×2)、3×3(1×3)型单模、多模、保偏光纤耦合器，这些类型光纤耦合器在生产过程中均可采用此工艺方法来提高其可靠性。

附图说明

图1为光纤耦合器分光比与熔融拉锥长度的关系曲线图；

图2为本发明光纤耦合器横向受力分析模型示意图；

图3为本发明方法流程图；

图4为本发明光纤耦合器耦合臂和耦合区示意图；

图5为本发明光纤耦合器封装示意图；

图6为图5的B-B剖视图。

具体实施方式

如图3所示，为本发明方法流程图，下面具体介绍本发明的制备方法，实现过程为：

(1)采用平行烧结强熔拉锥工艺制备光纤耦合器，通过拉力检测光纤耦合器烧结完成后的纵向抗拉强度，使其纵向抗拉强度大于1N。

制备光纤耦合器的光纤涂层剥离需采用热剥离方式处理，一般常用的机械剥离光纤涂层方法容易造成光纤包层表面缺陷，降低了光纤强度和可靠性。熔融拉锥烧结工艺的加热源是采用氢氧焰，加热方式有两种，一种是直接采用氢气和空气中的氧气的加热方式，氢氧焰的温度场均匀性差，火焰温度只能达到1100～1400℃。另一种是采用增加一路氧气的方式可以保证氢氧焰的温度达到1500～1700℃。本工艺采用第二种加热方式，通过流量控制器控制输入氢气和氧气气体流量，提高了烧结温度，加热区温度场均匀性好，减小了拉伸长度。另外，采用小口径火炬头，可以进一步降低器件封装尺寸，提高耦合区11的强度和可靠性，熔融拉锥完成后，采用拉力检测耦合器纵向抗拉强度。

(2)利用热固化胶将烧结后的光纤耦合器两端固定在石英U型槽中，利用紫外胶21填充耦合区11两侧光纤耦合臂12部位，如图4所示，缩短了中间光纤悬空长度。

熔融拉锥完成后，利用拉锥系统的封装装置将U型石英槽23传送到光纤耦合器下方，升高封装台，使光纤落在石英U型槽23正中间位置，利用红色记号笔在石英U型槽23外壁上距离耦合区11分叉点两侧各2mm的位置作标记，然后用热固化胶22将光纤耦合器两端固定在石英U型槽中，热固化胶22的长度为2～3mm，然后将紫外胶21均匀地涂抹在石英槽23红色标记外侧的槽中至末端固化胶处，石英槽23中紫外胶21的高度略低于石英槽23槽顶。采用该种紫外胶21填充技术缩短了光纤耦合器剥除涂覆层光纤的悬空长度，提高了光纤耦合器的抗冲击能力和谐振频率，如图5、6所示。固化完成后，从封装装置上取下耦合器，再用体式显微镜进行内部镜检，剔出有缺陷产品，如光纤裂纹、胶体内气泡等，从而保证光纤耦合器的高可靠性。

(3)将所述的光纤耦合器套在石英圆管24中，石英圆管24两端固定。

从拉锥机封装台取下固化在U型石英槽23上的光纤耦合器，放入50℃的高温干燥箱中，将特定长度的石英圆管24顺着光纤耦合器的尾纤套在U型石英槽23上，要求石英圆管两端比石英槽长，可取1～2mm，在U型石英槽23两端用热固化胶将石英槽23与石英圆管24中粘接固定，如图5、6所示。

上面所涉及到的热固化胶采用353ND环氧树脂胶，采用此胶的目的是使胶与光纤有较好的匹配性，热固化胶中其他型号的胶只要能够满足此目的都可以采用。

(4)对所述的光纤耦合器进行高温处理。

将固定在石英圆管内的光纤耦合器从高温干燥箱中取出，将两侧尾纤盘成光纤环，将光纤耦合器放入高温干燥箱中进行高温处理，在83～87℃条件下，贮存2～3小时，一般取2小时，然后继续在108～112℃条件下，贮存1～2小时，一般取1小时，最后随温箱自然冷却到室温。高温处理能够有效地释放光纤耦合器在熔融拉锥烧结和点胶固化过程中产生的内应力；

(5)在石英圆管24上涂硅橡胶27后套不锈钢管25，保证石英圆管与不锈钢管之间的硅橡胶分布均匀，将不锈钢管两端用硅橡胶密封。

高温处理后，将光纤耦合器从高温干燥箱中取出，将光纤耦合器的一侧光纤环松开，利用点胶装置在石英圆管24外侧均匀的涂抹硅橡胶27，将特定长度的不锈钢管25套在石英圆管24上，要求不锈钢管25两端各比石英圆管24长2mm。在套不锈钢管25的同时，旋转石英圆管24，以保证夹层硅橡胶27填充均匀。不锈钢管25的两侧密封材料26采用硅橡胶。石英圆管24与不锈钢管25之间填充的硅橡胶27，对光纤耦合器起到减震效果，结构如图6所示。

本发明制备方法提高了光纤耦合器的可靠性，尤其是抗高冲击性能，经大量试验验证，试验验证数据见表2、表3，本发明光纤耦合器的抗冲击性能由原来的1500g/0.5ms提高到5000g/0.5ms，跌落冲击高度可以由原1.2米提高到2.0米以上，谐振频率由原来的低于1300Hz提高到5000Hz以上。另外采用该工艺方法制备的光纤耦合器的工作温度可以达到-50～+85℃，温度冲击(-55～+85℃)次数500次以上，高温85℃贮存寿命达到5000h。

表2  光纤耦合器跌落冲击对比验证试验情况

表3  光纤耦合器冲击对比验证试验情况

本发明制备方法涉及的光纤耦合器类型可以为2×2(1×2)、3×3(1×3)型单模、多模、保偏光纤耦合器，这些类型光纤耦合器在生产过程中均可采用此工艺方法来提高其可靠性。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1、高可靠光纤耦合器制备方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)采用平行烧结强熔拉锥工艺制备光纤耦合器，通过拉力检测光纤耦合器烧结完成后的纵向抗拉强度，要求其纵向抗拉强度值大于1N；

(2)利用热固化胶将烧结后的光纤耦合器两端固定在石英U型槽中，并在石英槽两端内部填充紫外胶，缩短中间光纤悬空长度；

(3)将所述的光纤耦合器套在石英圆管中，石英圆管两端用热固化胶固定；

(4)对所述的光纤耦合器进行高温处理，所述的高温处理为首先在温度83～87℃条件下，贮存2～3小时；然后在温度108～112℃条件下，贮存1～2小时；

(5)在石英圆管上涂硅橡胶后套不锈钢管，将不锈钢管两端密封。

2、根据权利要求1所述的高可靠光纤耦合器制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的平行烧结强熔拉锥工艺中，光纤涂层采用热剥离方式处理，火焰中心温度要求大于1500℃，烧结完成后光纤纵向抗拉强度大于1N。

3、根据权利要求1所述的高可靠光纤耦合器制备方法，其特征在于：所述的热固化胶采用环氧树脂胶。

4、根据权利要求1所述的高可靠光纤耦合器制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的在石英槽两端内部填充紫外胶，采用低玻璃化温度的紫外胶，玻璃化温度低于-50℃。

5、根据权利要求1所述的高可靠光纤耦合器制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中的石英圆管外径与不锈钢管内径之差至少为0.6mm。

6、根据权利要求1所述的高可靠光纤耦合器制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中的涂硅橡胶厚度在0.3mm以上。

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