CN102879861B - 一种高可靠的光纤耦合器空头光纤高回波损耗处理方法 - Google Patents

Abstract

一种高可靠的光纤耦合器空头光纤高回波损耗处理方法，将光纤耦合器空头光纤末梢位置加工出非弯曲的高回波损耗端面，置于光纤热缩管中热缩封装，并在热缩后迅速冷却到室温。由于采用了非弯曲的高回波损耗端面加工方法，同时急速冷却密封封装的热缩材料，使热缩材料与光纤耦合器空头光纤高回波损耗端面之间形成空腔，避免高回波损耗端面在封装中、以及使用环境下接触到封装材料和其他物体，避免端面污损形成漫反射后改变端面的回波损耗，从而在避免光纤耦合器空头光纤断裂失效，提高光纤耦合器空头光纤可靠性的同时，保持了光纤耦合器空头的高回波损耗特性，进而提高光纤陀螺仪及各类光纤传感器的可靠性。

Description

一种高可靠的光纤耦合器空头光纤高回波损耗处理方法

技术领域

本发明涉及一种高可靠的光纤耦合器空头光纤高回波损耗处理方法。

背景技术

光纤陀螺仪及其他光纤传感器由于其低耗损，抗力学、电磁、辐照等恶劣环境，响应迅速等特点，在海陆空天军事领域及其它民用领域已获得广泛应用。

在许多光纤陀螺仪及其他光纤传感器的光路方案中，如光纤电流互感器、光纤光栅传感器等，都有用到光纤耦合器、光纤波分复用器等通过耦合的方式实现分光的光纤元器件，在这些光路方案中，光纤耦合器或光纤波分复用器的光纤端口中可能存在工作状态下不使用的空置端，通常把这样的光纤空置端称为空头光纤。

光纤耦合器空头光纤是了解光纤陀螺仪及其他光纤传感器光路光信号传输情况的重要检测点，在使用过程中需要保持高回波损耗的状态(一般要求≥50dB)，以防止光信号通过光纤端面反射回光路中继续传输，形成干扰信号。

一般情况下，光路中的空头光纤采用通过碾碎等方式粗化端面，并将末梢光纤盘绕成小圈的方法增大光纤端面回波损耗，如图1所示，即在小圈光纤内的光信号不再是全反射，大部分能量透射到光纤外部。这种工艺操作简便，回波损耗参数的一致性较好，但由于小圈部分光纤的弯曲半径很小(通常为3mm～4mm)，所以弯曲产生的应力很大。小圈内的这段光纤始终处于较高的弯曲应力下，长期使用存在断裂的隐患。

当空头光纤发生断裂后，空头的回波损耗会大幅度降低。在最严重的情况下，空头光纤断面的反射率达到4％。以图1中的光纤陀螺仪光路为例，当空头光纤断面的反射率为4％时，从光纤耦合器空头光纤反射回探测器的光功率将达到光源光功率的1％，这已经达到甚至超过了陀螺的光信号到达探测器的功率水平(不同设计参数的陀螺，其到达探测器的光信号水平有所不同)，导致探测器工作电压增大、甚至饱和，从而导致陀螺精度性能大幅度退化甚至失效。对于其他光纤传感器，也会存在类似的精度退化，甚至功能失效的风险。

如需要避免上述光纤耦合器空头光纤弯曲断裂失效的问题，可采用非弯曲的空头光纤高回波损耗加工方式，如图3、图4所示的光纤斜角或球形端面加工等，通过改变光信号在光纤端面的入射角，破坏光纤中的全反射条件实现高回波损耗特性。由于采用了这样的光纤非弯曲方案，空头光纤处于低使用应力条件下，可以避免光纤断裂失效，极大地提高光路空头光纤的可靠性。

上述方案仍有一个必须考虑的问题：一般情况下，需要将光纤表面的涂敷层剥除掉，形成一定长度的裸光纤段，才可以进行高回波损耗光纤端面加工。在使用中，该部分裸光纤会受到环境的侵蚀，表面微裂纹扩张，光纤逐渐老化，其可靠性和使用寿命就大打折扣。

在光纤制造行业中，把石英光纤本身与大气环境隔绝开来的防护工艺技术是提高光纤使用寿命最行之有效的办法，对空头光纤进行密封封装，隔离外界环境中水汽、酸碱气体加速空头光纤老化，防止端面污染，也是确保空头光纤的稳定性和可靠性的重要途径。

裸光纤段的密封封装一般采用热缩防护技术，即在裸光纤段外套上热缩材料，加热使热缩材料收缩，紧密地将裸光纤段包裹起来。然而将该技术用于光纤耦合器空头光纤封装时，收缩的材料会将端面也紧密包裹起来，污染了端面，使端面位置发生漫反射，从而导致了光纤端面的回波损耗降低。这个负面的效果是需要避免的，这就需要在封装的中避免光纤端面受到污染，在密封封装的同时，不降低空头光纤的回波损耗。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种高可靠的光纤耦合器空头光纤高回波损耗处理方法，在避免光纤耦合器空头光纤断裂失效，提高光纤耦合器空头光纤可靠性的同时，保持了光纤耦合器空头光纤的高回波损耗特性，从而提高光纤陀螺仪以及其他光纤传感器的可靠性。

本发明的技术解决方案是：一种高可靠的光纤耦合器空头光纤高回波损耗处理方法，如图2所示，所涉及的部件包括外套管1，内套管2、加固棒3、光纤耦合器空头光纤4、以及空腔5。其相互位置关系为：内套管2、加固棒3位于外套管1中，共同构成光纤热缩管，光纤耦合器空头光纤4需封装端面的一端置于内套管2中，空腔5位于内套管2中封装光纤的端面位置，实现过程的特征在于步骤如下：

第一步，将光纤耦合器空头光纤(4)的端面做高于50dB的高回波损耗处理；

第二步，将光纤耦合器空头光纤(4)套入内套管(2)，高回波损耗端面没入内套管(2)中，距离内套管端面的距离不小于3mm；

第三步，将整个光纤热缩管水平置于加热台面上，使加固棒(3)处于光纤热缩管的底部位置，采用200℃～300℃的温度加热光纤热缩管，使光纤热缩管收缩在一起；

第四步，迅速冷却加热收缩后的光纤热缩管，使光纤热缩管在1～3s内恢复到25℃±5℃，在光纤耦合器空头光纤(4)的高回波损耗端面和热缩管端头之间形成空腔(5)，完成封装。

所述构成光纤热缩管中外套管(1)、内套管(2)由热缩材料制成，加固棒(3)由热膨胀系数小于1.4×10^-5的刚性材料制成。

所述光纤耦合器空头光纤(4)的高回波损耗端面是斜切或抛磨成的斜面，或是烧熔成的球面。

所述加固棒(3)的材料为金属或石英。

所述光纤直径是Φ125μm、Φ80μm、Φ60μm或Φ40μm。

所述第四步中的冷却方法是借用有机溶剂挥发冷却，或是借用冷却设备制冷冷却，或是接触低温物体通过热传导冷却。

所述方法适用于光纤陀螺仪，以及含有光纤耦合器空头的光纤传感器的光纤电流互感器、光纤光栅传感器。

所述方法适用于光纤耦合器及含有耦合空置光纤端的光纤元器件的光纤波分复用器。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明涉及一种高可靠的光纤耦合器空头光纤高回波损耗处理方法，通过将光纤耦合器空头光纤加工成斜面或球面，避免了在使用条件下弯曲，同时对光纤耦合器空头光纤进行密封封装，显著提高了光纤耦合器空头光纤的可靠性和使用寿命，如图2所示。由于采用了非弯曲的高回波损耗端面加工方法，同时急速冷却密封封装的热缩材料，使热缩材料与耦合器空头光纤高回波损耗端面之间形成空腔，避免高回波损耗端面在封装中、以及使用环境下接触到封装材料和其他物体，避免端面污损后形成漫反射后改变端面的回波损耗，从而在避免光纤耦合器空头光纤断裂失效，提高光纤耦合器空头光纤可靠性的同时，保持了光纤耦合器空头光纤的高回波损耗特性，进而提高光纤陀螺仪及其他光纤传感器的可靠性。

附图说明

图1为现有的光纤耦合器空头光纤处理方法在光纤陀螺仪光路中应用情况示意图。

图2为本发明方案的光纤耦合器空头光纤高回波损耗处理方法示意图。

图3为高回波损耗的耦合器空头光纤倾斜端面示意图。

图4为高回波损耗的耦合器空头光纤球形端面示意图。

图5为光纤电流互感器光路结构示意图。

图6为光纤光栅传感器光路结构示意图。

具体实施方式

现有的光纤耦合器空头光纤处理方法在光纤陀螺仪光路中的应用情况如图1所示，其中6为光纤线圈、7为Y波导集成光学器件、8为光纤耦合器、9为光源、10为光电探测器、11为末梢盘绕成小圈处理的光纤耦合器空头光纤、I是入射光、I_r是反射光、I_t是透射光。通过将光纤耦合器空头光纤末梢做小半径弯曲，减小传输光信号的入射角，破坏全反射条件，使传输光透射到光纤外部，避免反射回光纤中。因光纤耦合器空头光纤弯曲半径小，使用应力大，长期使用下存在断裂失效的风险。

本发明采用了如图2所示的方案，其中1为外套管，2为内套管、3为加固棒、4为光纤耦合器空头光纤、以及5为空腔。光纤耦合器空头光纤4采用了如图3或图4所示的高回波损耗光纤端面加工方式。图3、图4中，12是光纤的包层、13是光纤的纤芯、I是入射光、I_r是反射光、I_t是透射光，通过改变光信号在光纤端面的入射角，破坏光纤中的全反射条件实现高回波损耗特性。由于耦合器空头光纤的使用应力很小，可靠性较原有方案大幅提高。

下面结合附图对本发明进一步详细说明。

如图2所示，本发明具体实现如下：

1、光纤耦合器空头光纤高回波损耗端面加工

按照光路方案将各光纤元器件连成指定光路。其中，将光纤耦合器空头光纤4末梢涂敷层剥离，并用无水乙醇将残余的涂敷层碎屑清洗干净，形成裸光纤。根据高回波损耗光纤端面加工选用的工艺方法，在处理后的光纤耦合器空头光纤4末梢位置加工出高于50dB的高回波损耗端面(如图3、图4所示)。加工后剩余裸光纤段的长度应比封装材料短6mm以上。放大50倍以上观察加工的端面，无突起、尖刺、凹陷、缺损等微观缺陷。

2、封装材料选择

采用光纤热缩管封装加工后的光纤耦合器空头光纤4，如图6所示，光纤热缩管由外套管1、以及平行位于外套管内的内套管2和加固棒3组成。其中外套管1、内套管2由热缩材料制成，加固棒3由热膨胀系数小于1.4×10^-5的刚性材料制成。

3、光纤陀螺仪用光纤耦合器高回波损耗端面封装

将加工后的光纤耦合器空头光纤4的裸光纤段套入光纤热缩管的内套管2中，裸光纤段两端与光纤热缩管两端的距离不小于3mm。将整个光纤热缩管水平置于加热台面上，使加固棒3处于光纤热缩管的底部位置，采用200℃～300℃的温度加热光纤热缩管，使其收缩在一起，待其收缩完毕后，迅速冷却加热收缩后的光纤热缩管，使其在1～3s内恢复到25℃±5℃，在光纤耦合器空头光纤4的高回波损耗端面和热缩管端头之间形成空腔5，完成封装。

由上述过程可知：由于采用了非弯曲的高回波损耗端面加工方法，同时急速冷却密封封装的热缩材料，使热缩材料与光纤耦合器空头光纤4高回波损耗端面之间形成空腔5，避免高回波损耗端面在封装中、以及使用环境下接触到封装材料和其他物体，避免端面污损形成漫反射后改变端面的回波损耗，从而在避免光纤耦合器空头光纤4断裂失效，提高光纤耦合器空头光纤4可靠性的同时，保持了光纤耦合器空头光纤4的高回波损耗特性。

除了在光纤陀螺仪光路中代替现有的光纤耦合器空头光纤处理方法以外，在其他多种光纤传感器的光路中也可采用本发明方案，如图5所示的光纤电流互感器光路，以及图6所示的光纤光栅传感器光路。图5、图6中，7为Y波导集成光学器件、8为光纤耦合器、9为光源、10为光电探测器、11为末梢盘绕成小圈处理的光纤耦合器空头光纤，14为延迟线圈，15为λ/4波片，16为传感线圈，17为可调谐滤波器，18为光纤布拉格光栅(FBG)传感器阵列，19是波长参考装置。

上述光路中都有用到光纤耦合器、光纤波分复用器等通过耦合的方式实现分光的光纤元器件，并且光纤耦合器或光纤波分复用器的光纤端口中也可能存在工作状态下不使用的空置端，其中光纤耦合器空头光纤11的处理方式均可采用本发明方案代替。

需要说明的是，本发明方法的适用范围是广泛的，所述密封封装的光纤耦合器空头光纤4的高回波损耗端面是斜切或抛磨成的斜面，或是烧熔成的球面；所述加固棒3的材料是金属，或是石英等无机材料的；本发明方案适用于光纤陀螺仪，以及光纤电流互感器、光纤光栅传感器等含有光纤耦合器空头的光纤传感器；本发明方案适用于光纤耦合器、以及光纤波分复用器等含有耦合空置光纤端的光纤元器件；所述光纤直径是Φ125μm、Φ80μm、Φ60μm、Φ40μm；本发明中的冷却方法是借用有机溶剂挥发冷却，或是借用冷却设备制冷冷却，或是接触低温物体通过热传导冷却。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种高可靠的光纤耦合器空头光纤高回波损耗处理方法，其特征在于：所涉及的部件包括外套管(1)，内套管(2)、加固棒(3)、光纤耦合器空头光纤(4)及空腔(5)；内套管(2)、加固棒(3)位于外套管(1)中，共同构成光纤热缩管，光纤耦合器空头光纤(4)需封装端面的一端置于内套管(2)中，空腔(5)位于内套管(2)中封装光纤的端面位置，方法实现步骤如下：

第一步，将光纤耦合器空头光纤(4)的端面做高于50dB的高回波损耗处理；

第二步，将光纤耦合器空头光纤(4)套入内套管(2)，高回波损耗端面没入内套管(2)中，距离内套管端面的距离不小于3mm；

第三步，将整个光纤热缩管水平置于加热台面上，使加固棒(3)处于光纤热缩管的底部位置，采用200℃～300℃的温度加热光纤热缩管，使光纤热缩管收缩在一起；

第四步，迅速冷却加热收缩后的光纤热缩管，使光纤热缩管在1～3s内恢复到25℃±5℃，在光纤耦合器空头光纤(4)的高回波损耗端面和热缩管端头之间形成空腔(5)，完成封装；

所述构成光纤热缩管中外套管(1)、内套管(2)由热缩材料制成，加固棒(3)由热膨胀系数小于1.4×10^-5的刚性材料制成。

2.根据权利要求1所述的高可靠的光纤耦合器空头光纤高回波损耗处理方法，其特征在于：所述光纤耦合器空头光纤(4)的高回波损耗端面是斜切或抛磨成的斜面，或是烧熔成的球面。

3.根据权利要求1所述的高可靠的光纤耦合器空头光纤高回波损耗处理方法，其特征在于：所述加固棒(3)的材料为金属或石英。

4.根据权利要求1所述的高可靠的光纤耦合器空头光纤高回波损耗处理方法，其特征在于：所述光纤直径是Φ125μm、Φ80μm、Φ60μm或Φ40μm。

5.根据权利要求1所述的高可靠的光纤耦合器空头光纤高回波损耗处理方法，其特征在于：所述第四步中的冷却方法是借用有机溶剂挥发冷却，或是借用冷却设备制冷冷却，或是接触低温物体通过热传导冷却。

6.根据权利要求1所述的高可靠的光纤耦合器空头光纤高回波损耗处理方法，其特征在于：所述方法适用于光纤陀螺仪，以及含有光纤耦合器空头的光纤传感器的光纤电流互感器、光纤光栅传感器。

7.根据权利要求1所述的高可靠的光纤耦合器空头光纤高回波损耗处理方法，其特征在于：所述方法适用于光纤耦合器及含有耦合空置光纤端的光纤元器件的光纤波分复用器。

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