CN103676003A - 一种保偏光子晶体光纤的熔接方法 - Google Patents

Abstract

一种保偏光子晶体光纤的熔接方法，涉及光纤熔接。它包括先对带熔接的两根光纤进行预处理，预处理包括加热、清洗和切割；再将两根光纤放入熔接机的熔接室中，进行偏振轴对准；然后对熔接部位进行预加热、再加热和循环加热，最后对熔接点进行加强和保护。本发明有效提高了偏振轴对准精度，避免光纤模场不匹配引起的熔接损耗过大问题，同时具有较高的熔接强度。

Description

一种保偏光子晶体光纤的熔接方法

技术领域

本发明涉及一种保偏光子晶体光纤熔接方法。 

背景技术

光子晶体光纤为包层具有周期性排列空气孔的光纤，又称微结构光纤或多孔光纤，可分为全内反射型和光子带隙型两种。保偏光子晶体光纤是在包层周期性结构中引入两个大的空气孔，实现高双折射，从而达到偏振保持的功能。由于光子晶体光纤的特殊结构和导光机理，使得其具有以往传统的纤芯/包层结构光纤没有的高耦合效率，低弯曲损耗，低非线性、低色散性和高的双折射性等特点。 

在使用光子晶体光纤时，不可避免的要把光子晶体光纤与其他种类光纤，或者与光子晶体光纤进行连接。在熔接时要尽可能的获得低损耗、高强度的连接，但是由于光子晶体光纤的结构特点，使得其与其他种类光纤在熔接时会存在很多问题，如两种类型光纤的纤芯应力区特征不匹配，光纤的模场直径不一致和光子晶体光纤的内部空气孔的严重塌缩等，这些都影响光子晶体光纤的应用推广。目前研究比较多的是单模光子晶体光纤与普通单模光纤的熔接技术，而对保偏光子晶体光纤与应力形保偏光纤熔接的研究较少。由于在保偏光纤的熔接过程中，要进行光纤偏振轴的对准，这都对保偏光子晶体光纤的熔接提出了更高的要求。 

目前，比较常见的光子晶体光纤的熔接方法主要是针对光子晶体光纤与普通单模光纤的熔接，其中电弧熔接法是目前最常见的熔接方法。它根据待连接光纤的特性选择合适的电弧熔接装置和熔接条件。通过选择合适的放电时间、放电强度和放电次数可有效控制光子晶体光纤空气孔的塌缩，实现光子晶体光纤的较低损耗熔接。这种方法也适用于保偏光子晶体光纤和应力型保偏光纤之 间的熔接，但需要克服对轴、光纤模场匹配和光纤熔接强度下降的问题。 

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种保偏光子晶体光纤熔接方法，有效提高偏振轴对准精度，避免光纤模场不匹配引起的熔接损耗过大问题，同时具有较高的熔接强度。 

本发明的技术解决方案是：、一种保偏光子晶体光纤的熔接方法，包括： 

步骤一：对待熔接的两根光纤的端部进行预处理，所述预处理依次包括加热、清洗和切割； 

（1）加热：将两根光纤长度为l的端部放入熔接机的加热槽内进行加热，加热时间为t； 

（2）清洗：剥去加热后两根光纤的端部的涂覆层，得到裸光纤，再将所述裸光纤放于丙酮溶液中进行超声清洗，超声清洗时间为T； 

（3）切割：用夹具分别夹住两根光纤待熔接的一端，并施加沿光纤轴向的拉力F，再用切割刀在两根光纤待熔接的一端划出切割口，使光纤沿切割口断裂后获得熔接端面。 

步骤二：将其中一根光纤套入热缩套管中，并将热缩套管移至远离裸光纤的位置，将两根光纤放入熔接机的熔接室中； 

步骤三：利用端面成像程序获取两根光纤的偏振轴，再利用图像处理程序进行偏振轴对准； 

步骤四：依次包括预加热、再加热和循环加热； 

（1）预加热：在熔接功率w1为12w～14w的条件下加热两根光纤的端部，直至两根光纤的熔接端面的包层初步耦合，形成熔接部，加热时间t1为0.25s～0.35s； 

（2）再加热：在熔接功率w2为9w～11w的条件下加热熔接部，加热时间t2为0.4～0.6s; 

（3）循环加热：在熔接功率w3为10w～12w的条件下对熔接部进行两次 以上的梯度循环扫描加热； 

步骤五：把步骤二中所述的热缩套管移至熔接部，使热缩套管包覆熔接部的外表面，并使用熔接机的加热槽加热热缩套管，使热缩套管与熔接部相对固定，完成熔接。 

所述步骤一中长度l的范围是7cm-9cm，加热时间t的范围是10s-15s。 

所述步骤一中超声清洗光子晶体光纤时，超声清洗时间T的范围是10s～15s；所述步骤一中超声清洗应力型保偏光纤时，超声清洗时间T的范围是25s～30s。 

所述步骤一中的拉力F作用于保偏光子晶体光纤时，拉力F的范围是10N～15N，当拉力F作用于包层直径为125μm的应力型保偏光纤时，拉力F的范围是20N～25N；当拉力F作用于包层直径为80μm的应力型保偏光纤时，拉力F的范围是15N～20N。 

所述步骤二中将两根光纤放入熔接机的熔接室时，两根光纤的熔接端面相向放置且留有间隙；当两根光纤均为光子晶体光纤时，熔接室内的加热源位于所述间隙的正中间；当两根光纤分别为光子晶体光纤和应力型保偏光纤时，熔接室内的加热源位于偏离间隙中间位置8μm～12μm处且靠近应力型保偏光纤。 

所述步骤四中的梯度循环扫描加热过程中，熔接机的热源相对熔接部做若干次往复移动，首次往复移动的路程半径A为250μm～350μm，第二次往复移动的路程半径为首次往复移动的路程半径A的二倍，第三次往复移动的半径为首次往复移动的路程半径A的三倍，依次递增。 

本发明与现有技术相比有益效果为： 

（1）本发明通过在预处理中加入加热光纤端部这一步骤，可以有效去除光纤外部的弯曲和扭转，进而提高熔接过程中的对轴精度，降低熔接损耗； 

（2）本发明通过在光纤预处理过程中使用丙酮溶液对裸光纤进行超声清洗，可以有效去除裸光纤表面杂物，这种清洗方法可以提高光子晶体光纤的熔接质量，减少熔接过程中其他杂物的干扰；并且超声清洗光子晶体光纤 的时间较短，可以减少丙酮溶液进入光子晶体光纤的空气孔中； 

（3）本发明通过在光纤预处理切割过程中，在保证光纤有一定的拉力下进行切割，可以获得更整齐的光纤端面，降低熔接损耗；并且根据光纤直径和脆性的不同，对光纤施加的径向拉力也不同； 

（4）本发明中根据待熔接的两种光纤的类型，控制电弧加热源的位置，当两根光纤均为光子晶体光纤时，熔接室内的加热源位于所述两光纤间隙的正中间；当两根光纤分别为光子晶体光纤和应力型保偏光纤时，熔接室内的加热源位于偏离两光纤间隙中间位置且靠近应力型保偏光纤。可以控制光子晶体光纤空气孔的塌缩程度，避免严重塌缩，进而增大光子晶体光纤模场直径，降低熔接过程中由于模场失配带来的损耗； 

（5）本发明通过在预加热、再加热之后加入循环扫描加热这一步骤，可以修复熔接点附近光纤损伤，提高光纤的熔接强度； 

（6）本发明中通过使用热缩套管对熔接部进行加强和保护，可以提高熔接点处的强度。 

附图说明

图1是本发明中保偏光子晶体光纤的熔接端面示意图； 

图2是本发明中应力型保偏光纤的熔接端面示意图； 

图3是本发明的流程图； 

图4是本发明中梯度循环扫描加热过程示意图； 

图5是本发明中保偏光子晶体光纤熔接后的熔接截面示意图。 

具体实施方式

光纤在结构上包括同心包覆的三层结构，从外到内依次包括涂覆层、包层和线芯。保偏光子晶体光纤的熔接根据材质的不同，可分为两根光纤均为保偏光子晶体光纤熔接的情形，以及一根保偏光子晶体光纤和一根应力型保偏光纤熔接的情形。其中，应力型保偏光纤又分为包层直径为125μm和包层直径为80μm的情形。如图1所示，保偏光子晶体光纤端面结构如图所示，其微结构 由外侧呈六边形排列的空气孔以及紧靠纤芯对称分布的两个大孔组成。具体实施方式中的光子晶体光纤的包层直径D1=125μm，大空气孔直径d1=4.75μm，小空气孔直径d2=2.15μm。通过对保偏光子晶体光纤的模场仿真及测量，得到保偏光子晶体光纤模场为2.65μm/4.35μm。如图2所示，应力型保偏光纤的包层直径D2=125μm，纤芯直径d=5μm，光纤模场直径为5.85μm。 

由于两种光纤模场直径相差较大，在熔接过程中由于模场失配引起的损耗较大。保偏光子晶体光纤由于模场失配引起的损耗α的计算公式如下： 

$\mathrm{\α}=-10\log \frac{{4\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ω}}_2{{\mathrm{\ω}}_f}^2}{({{\mathrm{\ω}}_1}^2+{{\mathrm{\ω}}_f}^2)({{\mathrm{\ω}}_2}^2+{{\mathrm{\ω}}_f}^2)}$

其中ω₁，ω₂分别表示保偏光子晶体光纤模场长轴和短轴直径，ω_f表示应力型保偏光纤的模场直径。根据公式计算本实施例中，若只考虑由模场失配引起的损耗，两种光纤最小熔接损耗的理论值为1.43dB。当所熔接的两光纤均为光子晶体光纤时，由于是同种类光纤进行熔接，所以不存在模场失配的问题，使用本发明可大幅降低两种类型光纤熔接时的熔接损耗。当然，本发明也适用于两根光纤均为保偏光子晶体光纤的情形。 

如图3所示，主要以保偏光子晶体光纤和应力型保偏光纤的熔接为例，说明本发明的具体实施方式： 

步骤一：对待熔接的两根光纤的端部进行预处理，所述预处理依次包括加热、清洗和切割； 

（1）加热：去除因外力产生的光纤的弯曲和扭转，本实施例中将要熔接光纤的端部8cm放于熔接机的加热槽内，各加热15s； 

（2）清洗：将剥去涂覆层的光纤放于丙酮溶液中进行超声清洗，本实施例中保偏光子晶体光纤在丙酮溶液中的超声清洗时间为12s。如果是应力形保偏光纤，其在丙酮溶液中的超声清洗时间为30s； 

（3）切割：用夹具分别夹住两根光纤待熔接的一端，并施加沿光纤轴向的拉力F，再用切割刀在两根光纤待熔接的一端划出切割口，使光纤沿切割口 断裂后获得熔接端面，本实施例中切割光子晶体光纤时拉力为12N，切割应力型保偏光纤时拉力为25N。 

步骤二：将其中一根光纤套入热缩套管中，并将热缩套管移至远离裸光纤的位置，将两根光纤放入熔接机的熔接室中；根据光纤类型选择光纤熔接程序P，本实施例的程序中设置加热源的位置位于偏离两光纤间隙中间位置10μm处且靠近应力型保偏光纤。 

步骤三：光纤偏振轴和端面的对准 

利用端面成像程序获取两根光纤的偏振轴，再利用图像处理程序进行偏振轴对准。 

步骤四：依次包括预加热、再加热和循环加热； 

（1）预加热：在熔接功率w1的条件下加热两根光纤的端部，直至两根光纤的熔接端面的包层初步耦合，形成熔接部，本实施例中熔接功率w1为14w，加热时间t1为0.25s； 

（2）再加热：在熔接功率w2的条件下加热熔接部，本实施例中熔接功率w2为10w，加热时间t2为0.45s; 

（3）循环加热：在熔接功率w3的条件下对熔接部进行两次以上的梯度循环扫描加热，本实施例中熔接功率w3为12w。如图初始加热半径A本实施例中设定为300μm，第二次加热半径为600μm，从而对熔接点附近的损伤进行修复，进一步提高光纤的熔接强度； 

步骤五：熔接点的加强与保护 

使用热缩套管对熔接点处进行加强和保护，在完成上一步骤的熔接之后，把热缩套管移至熔接部，使热缩套管包覆熔接部的外表面，并使用熔接机的加热槽进行固定，提高熔接部强度，完成熔接。熔接部的加强和保护，使熔接部的强度大大加强，且熔接损耗较低，有利于保偏光子晶体光纤的实际应用推广。 

使用本发明熔接光子晶体光纤和应力型保偏光纤，经多次检测，光子晶体光纤耦合入应力型保偏光纤的熔接损耗约为0.65～0.85dB，这一结果远低于理 论计算的由于模场失配引起的损耗1.43dB。，其原因为熔接过程中由于光纤熔点处光子晶体光纤空气孔的塌缩，改变了光纤熔点处光子晶体光纤的模场。 

如图5所示，在一次熔接后，检测光子晶体光纤模场直径的变化，在熔接点处稍靠光子晶体光纤一侧（约1mm处）切断光纤，对光线端面进行测量，得到光子晶体光纤大空气孔直径d1变为d1’=4.35μm，小空气孔直径d2变为d2’=2.05μm。通过对熔接后保偏光子晶体光纤的模场仿真及测量，得到保偏光子晶体光纤模场变为3.3μm/4.9μm，此时计算由于模场适配带来的理论损耗值为0.74，熔接中减小了模场失配带来的损耗。 

当所熔接的两光纤均为光子晶体光纤时，熔接时只需将步骤二中的加热源位置放置于两光纤间隙的正中间，其他处理应力型保偏光纤的参数均改为处理光子晶体光纤的参数，步骤四中的熔接功率w1改为10w，w2改为9w，w3改为10w，进行熔接即可。 

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 (6)

1.一种保偏光子晶体光纤的熔接方法，其特征在于：包括：

步骤一：对待熔接的两根光纤的端部进行预处理，所述预处理依次包括加热、清洗和切割；

（1）加热：将两根光纤长度为l的端部放入熔接机的加热槽内进行加热，加热时间为t；

（2）清洗：剥去加热后两根光纤的端部的涂覆层，得到裸光纤，再将所述裸光纤放于丙酮溶液中进行超声清洗，超声清洗时间为T；

（3）切割：用夹具分别夹住两根光纤待熔接的一端，并施加沿光纤轴向的拉力F，再用切割刀在两根光纤待熔接的一端划出切割口，使光纤沿切割口断裂后获得熔接端面。

步骤二：将其中一根光纤套入热缩套管中，并将热缩套管移至远离裸光纤的位置，将两根光纤放入熔接机的熔接室中；

步骤三：利用端面成像程序获取两根光纤的偏振轴，再利用图像处理程序进行偏振轴对准；

步骤四：依次包括预加热、再加热和循环加热；

（1）预加热：在熔接功率w1为12w～14w的条件下加热两根光纤的端部，直至两根光纤的熔接端面的包层初步耦合，形成熔接部，加热时间t1为0.25s～0.35s；

（2）再加热：在熔接功率w2为9w～11w的条件下加热熔接部，加热时间t2为0.4～0.6s;

（3）循环加热：在熔接功率w3为10w～12w的条件下对熔接部进行两次以上的梯度循环扫描加热；

步骤五：把步骤二中所述的热缩套管移至熔接部，使热缩套管包覆熔接部的外表面，并使用熔接机的加热槽加热热缩套管，使热缩套管与熔接部相对固定，完成熔接。

2.根据权利要求1所述的一种保偏光子晶体光纤的熔接方法，其特征在于：所述步骤一中长度l的范围是7cm-9cm，加热时间t的范围是10s-15s。

3.根据权利要求1所述的一种保偏光子晶体光纤的熔接方法，其特征在于：所述步骤一中超声清洗光子晶体光纤时，超声清洗时间T的范围是10s～15s；所述步骤一中超声清洗应力型保偏光纤时，超声清洗时间T的范围是25s～30s。

4.根据权利要求1所述的一种保偏光子晶体光纤的熔接方法，其特征在于：所述步骤一中的拉力F作用于保偏光子晶体光纤时，拉力F的范围是10N～15N，当拉力F作用于包层直径为125μm的应力型保偏光纤时，拉力F的范围是20N～25N；当拉力F作用于包层直径为80μm的应力型保偏光纤时，拉力F的范围是15N～20N。

5.根据权利要求1所述的一种保偏光子晶体光纤的熔接方法，其特征在于：所述步骤二中将两根光纤放入熔接机的熔接室时，两根光纤的熔接端面相向放置且留有间隙；当两根光纤均为光子晶体光纤时，熔接室内的加热源位于所述间隙的正中间；当两根光纤分别为光子晶体光纤和应力型保偏光纤时，熔接室内的加热源位于偏离间隙中间位置8μm～12μm处且靠近应力型保偏光纤。

6.根据权利要求1所述的一种保偏光子晶体光纤的熔接方法，其特征在于：所述步骤四中的梯度循环扫描加热过程中，熔接机的热源相对熔接部做若干次往复移动，首次往复移动的路程半径A为250μm～350μm，第二次往复移动的路程半径为首次往复移动的路程半径A的二倍，第三次往复移动的半径为首次往复移动的路程半径A的三倍，依次递增。

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