CN110161627B

CN110161627B - 保偏光纤定轴斜切方法及设备

Info

Publication number: CN110161627B
Application number: CN201910446564.0A
Authority: CN
Inventors: 杨远洪; 王子垚; 孙奕
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2019-05-27
Filing date: 2019-05-27
Publication date: 2020-10-02
Anticipated expiration: 2039-05-27
Also published as: CN110161627A

Abstract

本发明涉及光纤加工技术领域，旨在解决现有的定轴斜切质量差的问题。本发明实施例公开了一种保偏光纤定轴斜切方法及设备，该切割方法包括步骤：基于扭转角和光纤切割刀的结构尺寸确定保偏光纤的安装角；旋转保偏光纤，使保偏光纤的第一横截面处目标偏振轴方向与安装面间的夹角等于安装角；保持夹角，扭转保偏光纤使保偏光纤第二横截面处按照扭转角扭转，加载轴向的拉伸力，切断光纤。本发明的有益效果为：操作简单，能保证切割质量，可实现不同结构、不同直径的保偏光纤定轴斜切。

Description

保偏光纤定轴斜切方法及设备

技术领域

本发明属于光纤加工技术领域，具体涉及一种保偏光纤定轴斜切方法及设备。

背景技术

光纤陀螺具有体积小、功耗小、可快速启动、生产工艺相对简单和服役寿命长等优点。将光纤环和波导之间直接耦合是高精度光纤陀螺和类似系统的关键技术。采用直接耦合技术可减少光纤陀螺中光纤器件之间的光纤熔接点，采用斜面耦合结构能有效减少菲涅尔反射引起的相位误差，从而提高系统精度。为实现光纤与波导的斜面耦合，制备高质量的光纤倾斜端面最关键。目前高精度光纤陀螺广泛采用保偏方案，需要保偏光纤应力区连线所在偏振轴方向与波导偏振轴方向准确对准，即在斜面耦合时，除对耦合损耗有要求外，还要求保证高耦合消光比。因此，在制备保偏耦合光纤倾斜端面时，要求其目标偏振轴与端面倾斜方向平行。传统的保偏光纤-偏振波导的耦合过程中，均采用先定偏振轴(简称定轴)，然后利用工装研磨出设定角度的斜面。近期，保偏光子晶体光纤开始应用于光纤陀螺并成为光纤陀螺的发展方向之一。保偏光子晶体光纤-偏振波导的高性能耦合是保证这种陀螺性能和可靠性的关键技术之一。然而，由单一石英材料制成的保偏光子晶体光纤，导光和偏振保持是通过六边形周期分布的毛细孔结构实现的。由于毛细孔直径小，研磨过程中会进入毛细孔的研磨料和研磨液，无法被清除，这不仅影响端面质量，而且会破坏导波特性。传统的光纤端面研磨方法已不再适用。

因此，需要一种保偏光纤定轴斜切方法及设备，以解决或至少减轻上述问题的发生。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决保偏光纤倾斜端面加工精度低、端面质量差从而破坏保偏光纤的波导特性的问题，本发明实施例第一方面公开了一种保偏光纤定轴斜切方法，包括步骤：

S100，基于目标扭转角和光纤切割刀的结构尺寸，获取保偏光纤的目标安装角；

S200，旋转所述保偏光纤，使所述保偏光纤的安装角趋近于所述目标安装角，所述安装角为所述保偏光纤的安装角横截面处目标偏振轴方向与该处的安装面间的夹角；

S300，保持所述安装角，扭转所述保偏光纤，使所述保偏光纤的扭转角扭趋近于所述目标扭转角，所述扭转角为扭转横截面处目标偏振轴与该处的安装面间的夹角，向所述保偏光纤加载轴向的拉伸力，切断光纤。

在一些优选实施例中，步骤S300中“保持所述安装角”，其方法为：

S310，检测所述安装角；

S320，将步骤S310检测到的安装角与预设的目标安装角区间比较，

如果位于所述目标安装角区间内，执行步骤S300中的“扭转所述保偏光纤，使所述保偏光纤的扭转角扭趋近于所述目标扭转角，所述扭转角为扭转横截面处目标偏振轴与该处的安装面间的夹角，向所述保偏光纤加载轴向的拉伸力，切断光纤”；

如果超出所述目标安装角区间，执行步骤S200。

在一些优选实施例中，基于所述保偏光纤的包层直径d、目标倾斜端面倾角α和所述保偏光纤结构确定所述目标扭转角。对于包层直径d为125μm和目标端面倾角α为15度的保偏光子晶体光纤，目标扭转角为15度，根据实验确定。

在一些优选实施例中，步骤S100中，所述目标安装角由以下公式得出：

其中，l₁为所述光纤切割刀的结构尺寸包括切割点与第一夹具的内边缘之间的距离，l为第一夹具的内边缘与第二夹具的内边缘之间的距离。

本发明实施例第二方面公开了一种保偏光纤定轴斜切设备，包括：

控制器，所述控制器配置为基于目标扭转角和光纤切割刀的结构尺寸获取保偏光纤的目标安装角；

机架；

第一夹具，所述第一夹具安装于所述机架，所述第一夹具能够夹紧所述保偏光纤；

安装角旋转机构，所述安装角旋转机构在第一动力单元的驱动下绕夹紧在所述第一夹具的所述保偏光纤的轴线可转动地安装于所述机架，所述第一动力单元的控制端与所述控制器信号连接；

第二夹具，所述第二夹具在第二动力单元的驱动下绕夹紧在所述第一夹具的所述保偏光纤的轴线可转动地安装于所述机架，所述第二动力单元的控制端与所述控制器信号连接，所述第一夹具与所述安装角旋转机构分别设置在所述第一夹具的两相反侧；

切割刀刀头，所述切割刀刀头在第三动力单元的驱动下沿目标偏偏振轴方向往复运动，以切割所述保偏光纤和复位；以及

拉伸力加载机构，所述拉伸力加载机构安装于所述机架，以向夹紧在所述第一夹具和/或所述第二夹具的所述保偏光纤加载轴向的拉伸力。

在一些优选实施例中，所述保偏光纤定轴斜切设备还包括安装角旋转到位检测单元和扭转角旋转到位检测单元中的至少一者，以分别检测所述安装角和所述扭转角。

在一些优选实施例中，所述控制器还配置为基于所述保偏光纤的包层直径d、目标倾斜端面倾角α和所述保偏光纤结构确定所述目标扭转角。对于包层直径d为125μm和目标端面倾角α为15度的保偏光子晶体光纤，目标扭转角为15度，根据实验确定。

在一些优选实施例中，所述光纤切割刀的结构尺寸包括l₁和l，l₁为切割点与所述第一夹具朝向所述切割点的边缘之间的距离，l为所述第一夹具朝向所述切割点的边缘与所述第二夹具朝向所述切割点的边缘之间的距离，所述控制器还配置为通过公式：

确定所述安装角。

在一些优选实施例中，所述控制器基于用户输入的所述目标扭转角、所述l₁和所述l确定所述目标安装角；或者，

所述保偏光纤定轴斜切设备还包括能够检测所述l₁和所述l的长度检测单元，所述长度检测单元与所述控制器信号连接，所述控制器基于用户输入的所述目标扭转角、所述长度检测单元检测的所述l₁和所述l确定所述目标安装角。

在一些优选实施例中，所述拉伸力加载机构的控制端与所述控制器信号连接。

本发明的有益效果为：

利用光纤切割时裂纹传播方向与端面倾斜方向垂直的关系，通过提前旋转保偏光纤目标偏振轴，补偿安装角(使安装角趋近于目标安装角)，再加载拉伸力和扭转角，操作光纤切割刀切断光纤，实现保偏光纤定轴斜切。这种方法操作简单，能保证切割质量，可实现不同结构、不同直径的保偏光纤定轴斜切。

不同于光纤平切，光纤的斜切的加载条件除拉伸力之外，还加入了扭转角。由于拉伸扭转加载的光纤拉断时存在裂纹前沿旋转的现象，即裂纹的传播方向和端面斜度上升方向垂直的现象，定轴斜切时提前补偿安装角，使得安装角旋转横截面处的安装角和扭转角旋转横截面处的扭转角在切割点的等效旋转角抵消，切割刀刀头进给方向与目标偏振轴共线(均为水平方向)。通过控制裂纹传播方向(刀头进给的方向)达到控制光纤的切割端面倾斜方向的目的，使光纤在切割后产生平行于目标偏振轴的斜面，制备用于与波导直接耦合或光纤熔接的保偏光纤倾斜端面。

附图说明

图1为现有技术中的保偏光纤倾斜端面的结构示意图；

图2为保偏光纤定轴斜切方法一实施例的流程图；

图3为保偏光纤斜断面切割状态示意图；

图4为利用了本发明实施例的保偏光纤定轴斜切方法或设备切割出来的保偏光纤的倾斜端面的结构示意图；

图5为保偏光纤定轴斜切设备一实施例的控制框图。

图中：1、斜度上升方向；2、快轴方向；3、方位角；4、裂纹传播方向；5、倾斜端面的倾角；

6、安装角；7、安装面；8、目标偏振轴方向；9、扭转角；10、安装角旋转机构；11、第一夹具；12、切割刀刀头进给方向；13、切割刀刀头；14、第二夹具；15、扭转角旋转到位检测单元；16、拉伸力的加载；17、切割点与第一夹具朝向切割点的边缘之间的距离；18、第一夹具朝向切割点的边缘与第二夹具朝向切割点的边缘之间的距离。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

现有技术中的保偏光纤的一种结构，参照图1，其中，保偏光纤倾斜端面的斜度上升方向1为保偏光纤的椭圆形端面的长轴方向；保偏光纤快轴方向2；方位角3为目标偏振轴方向与保偏光纤的椭圆形端面的短轴方向的夹角；裂纹传播方向4为保偏光纤的椭圆形端面的短轴方向；保偏纤倾斜端面倾角5为保偏光纤的椭圆形端面的长轴方向与水平面的夹角，设其为α。图示为保偏光子晶体光纤非定轴斜切的切割结果，由于切割时光纤切割刀刀头进给方向未与目标偏振轴方向共线，端面倾斜方向不平行于目标偏振轴(快轴)方向，产生了如图所示方位角偏差(即方位角3)，这会使光纤偏振轴无法准确耦合，造成传输损耗。

为解决上述问题，本发明实施例第一方面公开了一种保偏光纤定轴斜切方法，参照图2，该方法包括步骤：

利用光纤切割时裂纹传播方向与端面倾斜方向垂直的关系，通过提前旋转保偏光纤目标偏振轴，补偿安装角，再加载拉伸力和扭转角，操作光纤切割刀切断光纤，实现保偏光纤定轴斜切。这种方法操作简单，能保证切割质量，可实现不同结构、不同直径的保偏光纤定轴斜切。

不同于光纤平切，光纤的斜切的加载条件除拉伸力之外，还加入了扭转角。由于拉伸扭转加载的光纤拉断时存在裂纹前沿旋转的现象，即裂纹的传播方向和端面斜度上升方向垂直的现象，定轴斜切时提前补偿安装角，使得第一横截面处的安装角和第二横截面处的扭转角在切割点的等效旋转角抵消，切割刀刀头进给方向与目标偏振轴共线(均为水平方向)。通过控制裂纹传播方向(刀头进给的方向)达到控制保偏光纤端面倾斜方向的目的，使光纤在切割后产生平行于目标偏振轴的斜面，制备用于与波导直接耦合或光纤熔接的保偏光纤倾斜端面。

另外，步骤S300中“保持所述安装角”，其方法为：

S310，检测所述安装角；

如果超出所述目标安装角区间，执行步骤S200。

通过该设置，使得只有安装角横截面处目标偏振轴方向与安装面间的安装角等于目标安装角时(实际应用中，无法做到严格相等，仅能做到无限趋近)，扭转角横截面处才按照扭转角进行扭转，保证了对安装角的精度控制，从而进一步提高了倾斜端面的切割质量。相似地，还可对扭转角进行精度同样的精度控制方法，以提高倾斜端面的切割质量。

上述扭转角根据保偏光纤的包层直径d、目标端面倾角α和保偏光纤结构不同而确定的。对于包层直径d为125μm和目标端面倾角α为15度的保偏光子晶体光纤，目标扭转角为15度，根据实验确定。

需要说明的是，步骤S100中，光纤切割刀的结构尺寸包括切割点与第一夹具的内边缘之间的距离l₁和第一夹具的内边缘与第二夹具的内边缘之间的距离l，通过公式：

确定安装角。

本领域技术人员可知的是，切割点与第一夹具的内边缘之间的距离l₁和第一夹具的内边缘与第二夹具的内边缘之间的距离l，可通过人工测量后手动输入至控制器(如PLC可编程控制器)中，也可以通过距离检测单元(如超声波距离检测仪、红外距离检测仪等设备)检测后回传至控制器。

本发明实施例第二方面公开了一种保偏光纤定轴斜切设备，参照图3和图5，该设备包括：

控制器，控制器配置为基于目标扭转角和光纤切割刀的结构尺寸确定保偏光纤的目标安装角；

机架(图中未画出)；

第一夹具11，第一夹具安装于机架，第一夹具能够夹紧保偏光纤；

安装角旋转机构10，安装角旋转机构在第一动力单元的驱动下绕夹紧在第一夹具的保偏光纤的轴线可转动地安装于机架，第一动力单元的控制端与控制器信号连接；

第二夹具14，第二夹具在第二动力单元的驱动下绕夹紧在第一夹具的保偏光纤的轴线可转动地安装于机架，第二动力单元的控制端与控制器信号连接，第一夹具与安装角旋转机构分别设置在第一夹具的两相反侧；

切割刀刀头13，切割刀刀头在第三动力单元的驱动下沿切割刀刀头进给方向12(即目标偏振轴方向8，亦即夹紧在第一夹具的保偏光纤径向)往复运动，以切割保偏光纤和复位；以及

拉伸力加载机构，拉伸力加载机构安装于机架，以向夹紧在第一夹具和/或第二夹具的保偏光纤加载轴向的拉伸力，拉伸效果参见图3中的拉伸力的加载16。

利用光纤切割时裂纹传播方向与端面倾斜方向垂直的关系，通过提前旋转保偏光纤目标偏振轴，补偿安装角6，再加载拉伸力和扭转角9，操作光纤切割刀切断光纤，实现保偏光纤定轴斜切。这种方法操作简单，能保证切割质量，可实现不同结构、不同直径的保偏光纤定轴斜切。

不同于光纤平切，光纤的斜切的加载条件除拉伸力之外，还加入了扭转角。由于拉伸扭转加载的光纤拉断时存在裂纹前沿旋转的现象，即裂纹的传播方向和端面斜度上升方向垂直的现象，定轴斜切时提前补偿安装角，使得安装角横截面处的安装角和扭转角横截面处的扭转角在切割点的等效旋转角抵消，切割刀刀头进给方向与目标偏振轴共线(均为水平方向)。通过控制裂纹传播方向(刀头进给的方向)达到控制保偏光纤端面倾斜方向的目的，使光纤在切割后产生平行于目标偏振轴的方向的斜面，制备用于与波导直接耦合或光纤熔接的保偏光纤倾斜端面。

与本发明实施例第一方面公开的方法相对应，保偏光纤定轴斜切设备还包括安装角旋转到位检测单元(图中未画出)和扭转角旋转到位检测单元15中的至少一者，以分别检测安装角和扭转角。从而形成安装角、控制器和第一动力单元的闭环控制，扭转角、控制器和第第二动力单元的闭环控制。从而，提高安装角和扭转角的控制精度，从根本上提高了保偏光纤倾斜端面的加工精度(质量)。

具体地，安装角旋转到位检测单元和扭转角旋转到位检测单元可以为微距相机。本领域技术人员可知的是，二者还可以为其他能够检测距离的设备，不再一一列举。

需要说明的是，第一夹具夹紧保偏光纤的结构、第二夹具夹紧保偏光纤的结构可以根据实际需要进行灵活设计。为了保证“夹紧效果”，本领域技术人员可知的是，该两夹具的夹紧结构均可采用：包括两个可彼此靠近、远离并且开口相对的V型槽，当两个V型槽彼此扣紧后能够保证保偏光纤的内芯(剥去保偏光纤的涂覆层后)能够由两个V型槽夹紧。具体地，两个V型槽的之间的彼此靠近、远离可通过导轨、导向柱、滑轨、丝杠等滑动连接的形式，可根据需要灵活设置，不作赘述。

另外，安装角旋转机构、第二夹具安装于机架均可以通过轴承(图中未画出)、轴承座(图中未画出)的形式进行安装。具体地，轴承座固定于机架，轴承座的外圈固定于轴承座内，轴承的内圈固定有该安装角度旋转机构或该第二夹具。当然，本领域技术人员可知的是，安装角度旋转机构、第二夹具还可以采用其他安装方式。

需要说明的是，安装角度旋转机构、第二夹具的一种具体形式为微调旋转机构，以保证安装角、扭转角的精度。该微调旋转机构为现有技术(如申请号为200410043545.7的发明专利)，故不再做重复说明。

另外，第一动力单元、第二动力单元、第三动力单元均可为伺服电机或带有减速器的伺服电机，还可为带有传动系统的伺服电机，以降低传动比，从而使得伺服电机的快速转动驱动安装角度旋转机构、第二夹具和切割刀刀头的慢速的转动或线性运动，进一步提高了安装角、扭转角和切割刀刀头的运动精度，从根本上进一步提高了保偏光纤倾斜端面的加工质量。当然，本领域技术人员可知的是，第一动力单元、第二动力单元还可以使用其他的动力装置和传动装置(如丝杠)。

另外，关于拉伸力加载机构，其只要能够像保偏光纤加载轴向力即可，其一种具体形式为气缸。同时，为了精确控制拉伸力的大小，该气缸的活塞与保偏光纤之间还安装有检测拉伸力的力检测单元，该力检测单元的型号输出端、气缸的控制端均与控制器信号连接，从而构成力检测单元、气缸、控制器的闭环控制，以保证保偏光纤定轴斜切设备的平稳、可靠工作，进一步，从根本上提高了保偏光纤倾斜断面的加工质量。

需要说明的是，所述控制器还配置为基于所述保偏光纤的包层直径d、目标倾斜端面倾角α和所述保偏光纤结构确定所述目标扭转角。对于包层直径d为125μm和目标端面倾角α为15度的保偏光子晶体光纤，目标扭转角为15度，根据实验确定。

另外，所述光纤切割刀的结构尺寸包括l₁和l，l₁为切割点与所述第一夹具朝向所述切割点的边缘之间的距离17，l为所述第一夹具朝向所述切割点的边缘与所述第二夹具朝向所述切割点的边缘之间的距离18，所述控制器还配置为通过公式：

确定所述目标安装角。

需要说明的是，控制器基于用户输入的所述扭转角、l₁和l确定目标安装角；或者，

保偏光纤定轴斜切设备还包括能够检测l₁和l的长度检测单元，长度检测单元与控制器信号连接，控制器基于用户输入的目标扭转角、长度检测单元检测的l₁和l确定目标安装角。该设置已经在本发明实施例的方法中有详尽说明，此处不再重复。

为了对本发明实施例所公开的上述方法和设备进一步说明，举例如下：

测量切割刀刀头藤仓CT-100的结构尺寸，即，测量切割点与所述第一夹具朝向所述切割点的边缘之间的距离l₁为15mm，所述第一夹具朝向所述切割点的边缘与所述第二夹具朝向所述切割点的边缘之间的距离l为25mm，结合保证光纤端面倾角为15°和端面质量目标扭转角为15°，代入公式

可得目标安装角为-9°。

剥去光纤涂敷层，放置在第一夹具。通过微距相机实时观测，用微调旋转机构调整保偏光纤快轴与安装面7夹角，使该夹角等于(准确地说，无限趋近于)该安装角-9°，如图3所示。

夹紧第一夹具固定保偏光纤，观测并确认保偏光纤快轴与安装面夹角-9°是否调整到位(安装角是否位于预设的安装角阈值范围内)，若没有调整到位，则重复步骤S2，若已调整到位，则设置扭转角15°，切割光纤。如图4所示为保偏光纤平行于快轴情况下切割后的倾斜端面结构示意图。

需要说明的是，本领域技术人员可知，本发明实施例的保偏光纤定轴斜切方法及设备可以用于普通保偏光纤的定轴斜切也可以用于如保偏光子晶体光纤等特殊用途的保偏光纤的定轴斜切。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图1所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种保偏光纤定轴斜切方法，其特征在于，包括步骤：

S100，基于目标扭转角和光纤切割刀的结构尺寸获取保偏光纤的目标安装角；

S300，保持所述安装角，扭转所述保偏光纤，使所述保偏光纤的扭转角扭趋近于所述目标扭转角，所述扭转角为扭转横截面处目标偏振轴与该处的安装面间的夹角，向所述保偏光纤加载轴向的拉伸力，沿径向切断光纤。

2.根据权利要求1所述的保偏光纤定轴斜切方法，其特征在于，步骤S300中“保持所述安装角”，其方法为：

S310，检测所述安装角；

如果超出所述目标安装角区间，执行步骤S200；

通过补偿安装角，使得所述安装角与所述扭转角抵消获得平行于目标偏振轴的光纤倾斜端面。

3.根据权利要求1所述的保偏光纤定轴斜切方法，其特征在于，基于所述保偏光纤的包层直径d、目标倾斜端面倾角α和所述保偏光纤结构确定所述目标扭转角。

4.根据权利要求1、2或3所述的保偏光纤定轴斜切方法，其特征在于，步骤S100中，所述目标安装角由以下公式得出：

5.一种保偏光纤定轴斜切设备，其特征在于，包括：

机架；

第二夹具，所述第二夹具在第二动力单元的驱动下绕夹紧在所述第一夹具的所述保偏光纤的轴线可转动地安装于所述机架，所述第二动力单元的控制端与所述控制器信号连接，所述第二夹具与所述安装角旋转机构分别设置在所述第一夹具的两相反侧；

切割刀刀头，所述切割刀刀头在第三动力单元的驱动下沿目标偏振轴方向往复运动，以切割所述保偏光纤和复位；以及

6.根据权利要求5所述的保偏光纤定轴斜切设备，其特征在于，所述保偏光纤定轴斜切设备还包括安装角旋转到位检测单元和扭转角旋转到位检测单元中的至少一者，以分别检测所述安装角和所述扭转角。

7.根据权利要求5所述的保偏光纤定轴斜切设备，其特征在于，所述控制器还配置为基于所述保偏光纤的包层直径d、目标倾斜端面倾角α和所述保偏光纤结构确定所述目标扭转角。

8.根据权利要求5、6或7所述的保偏光纤定轴斜切设备，其特征在于，所述目标安装角由以下公式得出：

9.根据权利要求8所述的保偏光纤定轴斜切设备，其特征在于，所述控制器基于用户输入的所述目标扭转角、所述l₁和所述l确定所述目标安装角；或者，

10.根据权利要求8所述的保偏光纤定轴斜切设备，其特征在于，所述拉伸力加载机构的控制端与所述控制器信号连接。