CN102169209A

CN102169209A - 光子晶体光纤低损耗熔接及端面处理方法

Info

Publication number: CN102169209A
Application number: CN 201110131464
Authority: CN
Inventors: 李平雪; 刘志; 池俊杰; 张雪霞
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2011-05-19
Publication date: 2011-08-31

Abstract

本发明公开了光子晶体光纤低损耗熔接及端面处理方法，属于光子晶体光纤后续处理技术领域。步骤为：使用光纤切割刀切割光子晶体光纤和另一根与光子晶体光纤待熔接的光纤；根据两根光纤具体参数，对于模场直径不匹配的，将具有大直径的光纤施行拉锥处理，使之与另一根待熔光纤模场匹配；把两根端面处理后的光纤放在光纤熔接机进行熔接；通过熔接损耗测量，把符合要求的熔接后的光子晶体光纤那一侧端面进行塌陷处理，熔接后另一端光纤的端面用切割刀处理平整，然后两端使用研磨机进行研磨、抛光获得平整光滑的实心端面。本发明实现对接光纤的模场匹配，可以适合光子晶体光纤之间、以及光子晶体光纤与普通光纤之间的低损耗熔接。

Description

光子晶体光纤低损耗熔接及端面处理方法

技术领域

本发明属于光子晶体光纤后续处理技术领域，尤其涉及一种光子晶体光纤低损耗熔接及端面处理方法。

技术背景

光子晶体光纤自1996年问世以来，以其独特的性质和设计自由度，成为光纤领域中的一个新亮点，有效地拓展了光纤的研究方向和应有范畴。该种光纤具有许多传统光纤所无法比拟的奇异特性，如无限截止单模、色散可控、高非线性、高双折射行等等，目前广泛应用在光通信、光子晶体光纤激光器、高性能光纤器件领域。但是光子晶体光纤独特的“空气孔-石英”结构也同时带来了诸多问题。如未经过处理的光纤端面会吸收外界水分，带来OH^-吸收损耗，而且这种结构也导致和普通光纤或器件的熔接集成难度，不能充分发挥其优异特性。所以如何解决这些弊病是光子晶体光纤实用化发展的关键问题，也是国内外相关领域投入大量研究的急迫任务。

当前对于光子晶体光纤国内外学者纷纷对此开展研究工作，并相继提出多种接续方法，包括利用电弧熔接机、CO₂激光器进行直接熔接、通过透镜进行光耦合以及制作中介光纤进行过渡连接等等。其中，透镜耦合法往往需要精密的光学配套设施，而制作中介光纤需要进行特殊的加工处理，工艺难度较大。两种方法均存在系统复杂，成本较高的问题，而且往往应用场合受限。CO₂激光器熔接方法虽然在小孔塌陷问题上有明显的处理优势，但众多的研发机构并不具有CO₂激光器熔接设备，还是不容易推广。然而使用传统的商用熔接机可以进行简单熔接操作，对于环境的要求也不很苛刻，但是在光子晶体光纤这种有别于普通光纤的处理上，直接熔接还存在许多问题，尤其在模场不匹配上会引入很大损耗。同时在光子晶体光纤的使用上，如何保证一个完整平滑的端面，其中的光纤气孔不受空气中水分、尘埃的污染，避免引入不必要传输损耗，保证光纤的优异特性，都是要全面考虑的。

发明内容

本发明目的是针对上述现有技术问题而提出的一种处理方法，实现光子晶体光纤之间低损耗熔并且确保两侧端面易于保存、使用的方法，保证光子晶体光纤优异特性存在的前提下如同普通光纤一样方便实用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，包括如下步骤：(1)使用光纤切割刀切割光子晶体光纤和另一根与光子晶体光纤待熔接的光纤分别保证其有一个完好平整的待熔接端面；(2)根据两根待熔光纤具体参数，确定其模场直径是否匹配，对于模场直径不匹配的，将具有大直径的光纤施行拉锥处理，使之与另一根待熔光纤模场匹配，降低模场不匹配带来的损耗；(3)把两根端面处理后的光纤放在光纤熔接机进行熔接；(4)通过熔接损耗测量，把符合要求的熔接后的光子晶体光纤那一侧端面进行塌陷处理，熔接后另一端光纤的端面用切割刀处理平整即可，然后两端使用研磨机进行研磨、抛光获得平整光滑的实心端面，其工艺流程参见图1。

上述步骤(2)通常两种光纤模场差在2μm以内，认为完全符合模场匹配要求。

上述步骤(3)为了进一步降低损耗，通过设置电流大小、熔接时间、熔接位置、相距长度等参数优化熔接效果，其中电流适宜小电流多次放电，这样保证光子晶体光纤空气孔的坍陷程度可控，熔接时间视光纤材质而定，通常光纤熔点都在2000摄氏度左右熔化，熔接电极位置要偏向熔点高的光纤一侧，保证光纤都能充分熔化，相距长度依据在熔接后既能保证一定的连接强度又避免熔接后熔接口发生形变，引入不必要损耗。最后通过光功率熔接损耗测试装置检测筛选符合要求的熔接光纤；其中通过多次试验发现放电电流在10mA-18mA，放电时间280ms-340ms，熔接结果基本一致，损耗偏差都在0.05dB以内符合通常使用要求，实验得知，追加放电2-3次效果适宜。

步骤(4)熔接损耗测量是半导体激光器通过光纤耦合透镜发出的耦合激光进入拉锥后或不拉锥直接待熔接的光子晶体光纤一端，从另一端射出后进入激光功率计，记下此电流下的激光功率，然后将拉锥熔接的光子晶体光纤换成熔接后的光子晶体光纤，再次记下相应电流下的激光功率，对比前后功率变化，从而推到出熔接损耗功率。公式为

Pi为入射前功率即在拉锥后测试的功率，Po为熔接后从熔接光纤另一端接收功率，光纤熔接损耗Ls，单位是dB。

步骤(4)最后把符合要求熔接完毕的光纤两侧端面进行后续处理。主要是利用光纤熔接机、光纤研磨机做处理工具，目的为了更加方便光子晶体光纤的保存和使用。首先使用光纤熔接机进行光纤端面的空气孔塌陷处理，通过电极放电使光子晶体光纤气孔收缩，形成实心塌陷区，然后使用不同粗糙度的光纤研磨纸进行研磨、抛光，处理过后便获得了熔接低损耗的方便使用、易于保存的熔接光纤。

本发明一种光子晶体光纤低损耗熔接及端面处理方法的关键点在于，首先把光子晶体光纤待熔接端面进行切割处理，然后确定两根被熔接光纤模场参数，由于光纤熔接模场不匹配是造成光纤熔接损耗主要因素，两光纤的模场直径不匹配引入的损耗，其公式：

其中ω_PCF和ω_QTF分别表示光子晶体光纤和待于光子晶体光纤熔接的其他光纤模场直径。所以使用光纤拉锥机把大模场的光子晶体光纤模场拉锥变小使其和待与光子晶体光纤熔接的其他光纤模场一致再进行熔接。尤其通过设定熔接机的电流大小、熔接时间、电极位置、熔接光纤两个端面熔接长度等参数获得更低损耗的熔接指标。最后把符合要求熔接完毕的光纤两侧端面进行后续处理。主要是利用光纤熔接机、光纤研磨机做处理工具，目的为了更加方便光子晶体光纤的保存和使用。首先使用光纤熔接机进行光纤端面的空气孔塌陷处理，通过电极放电使光子晶体光纤气孔收缩，形成纵向长度1mm～1.5mm实心塌陷区，然后使用不同粗糙度的光纤研磨纸进行研磨、抛光，处理过后便获得了熔接低损耗的方便使用、易于保存的熔接光纤。

本发明有如下特点：

1、本发明对于熔接的光子晶体光纤的结构参数没有特殊要求，因为可以进行拉锥处理，改变光子晶体光纤模场大小，实现对接光纤的模场匹配，可以适合光子晶体光纤之间、以及光子晶体光纤与普通光纤之间的低损耗熔接。

2、在光纤熔接和端面塌陷处理过程中，可以通过实验和光纤参数的特点，设置不同的熔接电流、熔接时间、保证光纤空气孔的塌陷程度，降低导光损耗，同时增加熔接区域连接强度。

3、光子晶体光纤端面塌陷处理后，使用光纤研磨机对端面研磨、抛光能保证光纤在应用中易于保存，并保持光子晶体光纤的优异特性，同时优异的端面质量可以减少光耦合损耗，为制作其他光纤元件奠定基础。

附图说明

图1本发明的流程示意图

A为光子晶体光纤拉锥示意图、B为带尾纤的976nm半导体激光通过光纤耦合透镜组耦合入拉锥后光子晶体光纤的功率测试示意图、C为光子晶体光纤和待熔光纤熔接示意图、D为带尾纤的976nm半导体激光通过光纤耦合透镜组耦合入熔接后的光纤功率测试示意图、E为熔接后的光子晶体光纤端面坍陷示意图；

1为半导体激光器，2光纤耦合透镜组，3光子晶体光纤，4光纤拉锥机，5光纤熔接机，6其他光纤，7激光功率计。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明光子晶体光纤低损耗熔接及端面处理方法做出详细说明，其工艺流程见图1.

第一步，待熔接的光纤材料为：其中光子晶体光纤模场直径29μm@976nm、另一根普通单模光纤模场直径是9.5μm。

利用公式(1)计算出常规熔接时的损耗值为4.56dB。

上述待熔接的两根光纤用光纤切割刀把端面切割平整，根据待熔接的光纤模场参数差别，使用光纤拉锥机4进行光子晶体光纤3拉锥处理改变其模场直径，拉锥后在10μm左右。并按照流程图中的(1)把带尾纤的976nm半导体激光器1激光通过光纤耦合透镜组2准直聚焦到拉锥后的光子晶体光纤3中，在光纤的另一端使用激光功率计7接收976nm激光并记下数值。测试出半导体激光在电流10A时激光功率示数为1.25W。

第二步，把拉锥处理后的光子晶体光纤3一端放入光纤熔接机5压纤V槽一侧再把待与光子晶体光纤熔接的其他光纤6放入压纤V槽另一侧熔接。在光子晶体光纤熔接过程中，为了避免或减低空气孔的塌缩通常选择小的放电电流和段的放电时间，然而这个合适的能量又应该保证光子晶体光纤和普通光纤熔接后具有一定强度，不至于很容易断裂，就要不断优化这两个参数。在光子晶体光纤和普通光纤熔接的实验中，由于光子晶体光纤的融化温度低于普通光纤，所以光纤熔接机的放电电极空间位置也是非常重要的，电极位置应设置在偏向普通光纤一侧，其目的是这样可以使光子晶体光纤相对于普通光纤获得少量能量，很好的控制光子晶体光纤的空气孔的塌陷；同时又可以保证普通光纤充分获得能量，更好的达到熔融状态增加熔接强度。熔接机设定的放电电流为12mA，放电时间300ms，电极位置是中间位置偏向普通光纤4μm。影响光纤熔接质量的另一个重要参数是光纤的熔接长度，如果光纤熔接机两端的光纤在熔接过程中的熔接长度过小，会导致光纤熔接点比较脆，也就是熔接强度过低，更有可能就是根本熔接不上，但是也不能有过大的熔接长度，这样会使两测光纤在熔接时随着熔接机的步进电机移动过度挤压变形，发生熔接点弯曲，这样会引入很大的损耗。通过模场分析选择熔接长度2μm。这些主要的熔接参数外，重复放电电流和放电时间的合理选择也对熔接强度加强和低损耗熔接是有益的。本实施例中选择放电2次，进一步加强熔接强度。

熔接完毕后把带尾纤的976nm半导体激光器1激光通过光纤耦合透镜组2准直聚焦到熔接后的光子晶体光纤中，此时半导体激光器输出功率在和熔接前一致的状态下，976nm激光透过光子晶体光纤和普通光纤熔接后的整体光纤从普通光纤另一端面输出，使用激光功率计7接收读取功率数值为1.19W，并结合实验开始时的功率数值理论计算即得出熔接点损耗0.21dB，其中由于熔接光纤的长度不是很长，所以普通光纤的对976nm激光吸收损耗非常小而被忽略，主要损耗源于熔接点损耗。然后通过光功率装置测试熔接光纤损耗，并理论计算出几次实验损耗值通常都小于0.3dB。

最后，把符合要求的熔接光纤，光子晶体光纤一端端面进行气孔塌陷，在使用光纤熔接机5进行塌陷处理时，电流数值应略大于光纤熔接时电流，预熔时间应大于熔接操作情况的参数设定。只有这样才能使光子晶体光纤空气孔充分塌陷封闭，实验中熔接电流为16mA，熔接时间为450ms，光纤塌陷长度在1mm左右。然后再通过光纤研磨机对塌陷后实心光子晶体光纤端面进行研磨处理，分别使用粗糙度系数为9、3、1、0.5的金刚石研磨纸和抛光绒布，设定研磨纸转速是35转/分钟并以水为研磨介质研磨，抛光绒布分为70转/分、60转/分抛磨各三分钟，50转/分抛磨一分钟以二氧化硅抛光液为研磨介质，上述所有状态研磨情况可以在光学显微镜上观察，并及时作出矫正，最后获得平整光滑的光纤端面。这样的好处是一可以保证光子晶体光纤端面的空气孔不受外界环境灰尘、水分的污染，避免上述原因带来的光纤传输损耗，二来可以凭借光纤优异质量的端面，制作不同的光纤器件，抗环境能力强，方便灵活。

Claims

1.光子晶体光纤低损耗熔接及端面处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)使用光纤切割刀切割光子晶体光纤和另一根与光子晶体光纤待熔接的光纤；(2)根据两根光纤具体参数，对于模场直径不匹配的，将具有大直径的光纤施行拉锥处理，使之与另一根待熔光纤模场匹配；(3)把两根端面处理后的光纤放在光纤熔接机进行熔接；(4)通过熔接损耗测量，把符合要求的熔接后的光子晶体光纤那一侧端面进行塌陷处理，熔接后另一端光纤的端面用切割刀处理平整，然后两端使用研磨机进行研磨、抛光获得平整光滑的实心端面。

2.按照权利要1的方法，其特征在于，步骤(2)两种光纤模场差在2μm以内。

3.按照权利要1的方法，其特征在于，步骤(3)进行熔接时，放电电流10mA-18mA，放电时间280ms-340ms，熔接电极位置偏向熔点高的光纤一侧，放电2-3次。

4.按照权利要1的方法，其特征在于，步骤(4)进行塌陷处理，首先使用光纤熔接机进行光纤端面的空气孔塌陷处理，通过电极放电使光子晶体光纤气孔收缩，形成实心塌陷区，然后使用光纤研磨机进行研磨、抛光。