CN1763570A - 自动化保偏光纤耦合器熔融拉锥装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动化保偏光纤耦合器熔融拉锥装置，它包括工作平台以及装设于工作平台上的自动对轴机构、中间靠近机构、熔融拉锥机构、在线封装机构以及主控计算机，工作平台上设有呈左右对称布置的左、右机械平台以及控制面板；自动对轴机构包括四组结构完全相同的电动旋转机构、光源和显微图象系统，四组电动旋转机构呈对角线状设于左、右机械平台上，光源和显微图象系统设于工作平台上；中间靠近机构设于左、右机械平台上的中心线位置处，熔融拉锥机构包括热源和运动拉锥机构，左、右机械平台分别固定于运动拉锥机构上。本发明是一种结构紧凑、能够实现制作自动化，从而能够提高产品质量和精度的自动化保偏光纤耦合器熔融拉锥装置。

Description

自动化保偏光纤耦合器熔融拉锥装置

技术领域

本发明主要涉及到光纤器件的亚微米制造理论与关键技术领域，特指一种自动化保偏光纤耦合器熔融拉锥装置。

背景技术

由于保偏光纤具有对线偏振光较强的偏振保持能力，在相干光通信、光纤传感、光纤陀螺等领域的应用日趋广泛。而其中保偏光纤耦合器由于能稳定地传输两个正交的线偏振光，并能长距离地保持各自的偏振态不变，是各种军用干涉型传感器和相干通信的关键器件，是构成高精度高性能光纤陀螺和水听器的基础元件之一。

目前国内保偏光纤耦合器的制造大都是通过熔融拉锥法手工完成的。即将两根光纤中部长约20mm部分的涂覆层剥去，清洗干净，显微镜对轴，然后采用紫外胶固定，再进行熔融拉锥，最后手工封装。由于手工操作，对操作的人技术要求很高、速度慢、产量低、成品率低、器件性能的一致性差，因此产品价格高；国外虽然已有保偏耦合器制作平台出售，但是价格太高，而目前军事和民用领域对高性能低成本的保偏光纤耦合器的需求越来越多，因此需要研制一套简便经济的包括对轴、拉锥、封装等工艺工程的自动化保偏光纤耦合器生产系统。

保偏耦合器制造的影响因素有很多，其中采用对轴机构自动精确快速地确定偏振主轴，并且保持拉锥过程中两根光纤的偏振轴平行是制造耦合器成败的关键，这会严重影响到保偏耦合器的偏振消光比；中间靠近机构要使得两根光纤紧紧靠在一起，才使得光纤的耦合与分光成为可能；火焰的熔融温度以及拉锥的速度和时间会影响到耦合器的双锥体结构，如平滑程度和放锥的形状，从而增加耦合器的附加损耗；封装台的运动精度、封装时间等的控制不当也会使得保偏耦合器的指标变差。

图1、图2、图3给出本发明中保偏耦合器的结构示意图，从图中看出保偏耦合器的双锥形结构及其截面形状。偏振主轴平行的两根保偏光纤以一定的方式靠在一起，在氢氧焰下加热熔融，同时向两边拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构——保偏光纤耦合器。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提出了一种结构紧凑、能够实现保偏光纤耦合器制作的自动化，从而能够提高产品质量和精度的自动化保偏光纤耦合器熔融拉锥装置。

为了解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种自动化保偏光纤耦合器熔融拉锥装置，其特征在于：它包括工作平台以及装设于工作平台上的自动对轴机构、中间靠近机构、熔融拉锥机构、在线封装机构以及主控计算机，所述工作平台上设有呈左右对称布置的左机械平台和右机械平台以及控制面板；自动对轴机构包括四组结构完全相同的电动旋转机构、光源和显微图象系统，所述四组电动旋转机构呈对角线状设于左机械平台和右机械平台上，光源和显微图象系统设于工作平台上；所述中间靠近机构设于左机械平台和右机械平台上的中心线位置处，熔融拉锥机构包括热源和运动拉锥机构，左机械平台和右机械平台分别固定于运动拉锥机构上。

所述电动旋转机构包括步进电机、主动齿轮、从动齿轮以及光纤夹具，四组电动旋转机构的步进电机分别通过电缆与主控计算机相连，主动齿轮直接与步进电机的输出轴相连，从动齿轮与主动齿轮相互啮合，该从动齿轮与光纤夹具相连。

所述自动对轴机构进一步包括设置于左机械平台和右机械平台上中心线两侧的辅助定位块。

所述中间靠近机构包括两组结构完全相同的且分别固定于左机械平台和右机械平台上的电动凸轮装置，两组电动凸轮装置分别位于左机械平台和右机械平台的中心线上；该电动凸轮装置包括步进电机、齿轮减速器、凸轮和相对设置的两片弹簧片，齿轮减速器的一端与步进电机的输出轴相连，凸轮固接于齿轮减速器的另一端，两片弹簧片呈“凹”字状，且两片弹簧片的开口部呈相对设置，凸轮位于两片弹簧片中间开口部所形成的空腔处。

所述显微图象系统包括显微镜、摄像头和旋转支架，显微镜和摄像头装设于旋转支架上。

所述工作平台呈台阶状分为高平台和低平台，所述旋转支架设于台阶状工作平台的高平台上。

所述在线封装机构包括由带有U型槽的二维运动平台和紫外灯，紫外灯装设于台阶状工作平台的高平台上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的自动化保偏光纤耦合器熔融拉锥装置利用自动对轴机构解决了保偏耦合器制作的关键技术，通过步进电机和主控计算机的精确控制，能够让夹设于自动对轴机构上的光纤实现精确地定位，从而可以提高保偏耦合器的性能；

2、本发明的自动化保偏光纤耦合器熔融拉锥装置利用结构简单的中间靠近机构，使得光纤在对轴完成后能够紧紧靠在一起，使光纤的耦合和分光成为可能；

3、本发明的自动化保偏光纤耦合器熔融拉锥装置利用主控计算机和步进电机对拉锥运动机构进行精确控制，实现拉锥过程中拉伸时间和速度的控制，加上机构中热源的稳定性控制，从而改善了耦合器的锥形，减少了附加损耗；

4、本发明的自动化保偏光纤耦合器整体结构紧凑、使用方便、成本低，能够使保偏光纤耦合器的制作实现自动化操作，降低了人工操作带来的误差，保证了保偏耦合器的质量，且本发明还能够在单模耦合器拉锥平台上改装而成，简便经济的实现保偏耦合器的自动化制作。

附图说明

图1是保偏耦合器的结构示意图；

图2是保偏耦合器A-A截面示意图；

图3是保偏耦合器B-B截面示意图；

图4是本发明自动化保偏光纤耦合器熔融拉锥装置主视结构示意图；

图5是本发明自动化保偏光纤耦合器熔融拉锥装置俯视结构示意图；

图6是本发明自动对轴机构的主视示意图；

图7是本发明自动对轴机构的俯视示意图；

图8是本发明自动对轴机构中光纤夹具的主视示意图；

图9是本发明自动对轴机构中光纤夹具的俯视示意图；

图10是本发明保偏光纤对轴原理示意图；

图11是本发明中间靠近机构的主视示意图；

图12是本发明中间靠近机构的侧视示意图。

图例说明

1、工作平台

11、低平台                   12、高平台

21、左机械平台               22、右机械平台

3、自动对轴机构

31、电动旋转机构             311、步进电机

312、主动齿轮                313、从动齿轮

3131、槽                     314、光纤夹具

3141、V型槽                  3142、磁铁

3143、夹具盖                 32、光源

33、显微图象系统             331、显微镜

332、摄像头                  333、旋转支架

34、辅助定位块

4、中间靠近机构

41、电动凸轮装置                    411、步进电机

412、齿轮减速器                     413、凸轮

414、弹簧片

5、熔融拉锥机构                     51、热源

511、氢气出气口                     512、氧气出气口

52、运动拉锥机构                    521、一维运动平台

522、步进电机                       523、支撑块

6、在线封装机构                     61、二维运动平台

611、U型槽                          62、紫外灯

7、光纤                             8、主控计算机

9、控制面板

具体实施方式

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图4和图5所示，本发明的自动化保偏光纤耦合器熔融拉锥装置主要包括工作平台1以及装设于工作平台上的自动对轴机构3、中间靠近机构4、熔融拉锥机构5和在线封装机构6。该工作平台1呈台阶状分为低平台11和高平台12，在低平台11上设有呈左右对称布置的左机械平台21和右机械平台22以及控制面板9。

自动对轴是实现保偏耦合器制作的关键，如图6、图7所示，本发明的自动对轴机构3包括四组结构完全相同的电动旋转机构31、光源32和显微图象系统33，光源31的作用是提供照向光纤侧面的平行光；显微图象系统33包括显微镜331、摄像头332和旋转支架333，显微镜331和摄像头332装设于旋转支架333上，旋转支架333则设于台阶状工作平台1的高平台12上。工作时，可通过旋转支架333将显微镜331和摄像头332转至光纤7的上方，以便与摄像头332相连的主控计算机8对采集到的光强数据进行一定的算法处理实现对轴，同时还可通过旋转支架333的带动实现对轴结束后的自动退出；四组结构完全相同的电动旋转机构31成对角线状分别装设于左机械平台21和右机械平台22上，该电动旋转机构31包括步进电机311、主动齿轮312、从动齿轮313以及光纤夹具314，四组电动旋转机构31的步进电机311分别通过电缆与主控计算机8相连，主动齿轮312直接与步进电机311的输出轴相连，从动齿轮313与主动齿轮312相互啮合，该从动齿轮313与光纤夹具314相连，步进电机311通过相互啮合的主动齿轮312和从动齿轮313可以带动光纤夹具314内的光纤7两端旋转实现定位。如图8和图9所示，从动齿轮313上开槽3131放置光纤7，可减少光纤7放置时的扭转及磨损，光纤夹具314底座上开有V型槽3141，并内置有磁铁3142，光纤7放入后，夹具盖3143由于磁铁3142的吸力将光纤7压紧固定，与四组电动旋转机构31对应的四个辅助定位块34分别设置于左机械平台21和右机械平台22上中心线的两侧，该辅助定位块34为光滑无摩擦的小圆柱体，以使得两根光纤7中间去掉涂覆层的部分平行，而光纤7的两端则呈一定的角度固定在光纤夹具314上。如图10所示的自动对轴原理图：当光源32发出的平行光从侧面照向裸光纤7时，保偏光纤7本身作为一个柱面透镜，使得在距光纤中心为L的观测面上形成了一个可测量的光强分布。移动观测面，可以发现光强的最大对照h(光强最大值与最小值的差值)位于光纤7中心位置。随着光纤7的旋转，光强分布不断变化，光对照值在焦点处改变。分析360度的光对照分布即可得到一个新的光强分布即POL分布图，光对照值即为POL值。对于一根给定的光纤7，利用POL值为特征量，测得其随角度变化的曲线，并利用其对称性和周期性进行傅里叶展开得到起始角为零度(光纤光轴与入射光平行时)的标准曲线。随后将任意方位角起始的标准曲线与测量曲线做互相关，极大值所对应的角度即为所求保偏光纤方位角，从而实现保偏光纤的自动对轴。

如图11和图12所示，本发明的中间靠近机构4包括两组结构完全相同的且分别固定于左机械平台21和右机械平台22上的电动凸轮装置41，两组电动凸轮装置41分别位于左机械平台21和右机械平台22的中心线上。该电动凸轮装置41包括步进电机411、齿轮减速器412、凸轮413和相对设置的两片弹簧片414，齿轮减速器412与步进电机411的输出轴相连，凸轮413固接于齿轮减速器412的另一端，两片弹簧片414呈“凹”字状，且两片弹簧片414的开口部呈相对设置，凸轮413位于两片弹簧片414中间开口部所形成的空腔处，而光纤7则穿设于两片弹簧片414的接触面上。正常状态时，设置于两片弹簧片414中间开口部内的凸轮413将两片弹簧片414分开，两根光纤则不会靠拢到一块去，当完成光纤对轴后，通过步进电机411带动凸轮413转动，将两片弹簧片414靠拢，从而使两根光纤7靠拢接触。

如图4和图5所示，本发明的熔融拉锥机构5包括热源51和运动拉锥机构52。该热源51为氢-氧焰，其中氢气出气口511位于光纤7的上方，而氧气出气口512位于光纤7的下方，以尽量使得温度场稳定，在对轴完成后，将光纤7的两端分别与光源及光功率计通过裸纤适配器连接，打开氢气流量控制器，待流量稳定后，用电子点火器点火，此时打开氧气流量控制器，待火焰稳定后，按控制面板9上的“自动”“开始”按纽即开始拉锥过程；运动拉锥机构52包括可实现同时靠近与分离的一维运动平台521和步进电机522，步进电机522通过输出轴与一维运动平台521相连，运动平台521位于工作平台1的机箱内，左机械平台21和右机械平台22分别通过支撑块523位于运动平台521的两端，然后可以通过主控计算机8控制步进电机522实现拉锥运动的速度及方向控制。

如图4和图5所示，本发明的耦合器在线封装机构6包括带有U型槽611的二维运动平台61和紫外灯62，紫外灯62位于台阶状工作平台1的高平台12上。在拉锥结束后，将干净的石英槽居中置于二维运动平台61的U型槽611上，平台61运动使耦合器位于石英槽中间位置并悬空，在石英槽两端滴上紫外胶，紫外灯62照射此区域使其固化；取下器件，在石英槽部分套上塑料管，塑料管受热缩紧在石英槽上，封装基本完成，耦合器基本单元即可完成。

工作原理：本发明首先把去掉涂覆层并清洗干净的裸光纤7放在保偏光纤光纤的夹具314上，利用CCD视觉对轴系统进行偏振主轴的自动对准。然后利用中间靠近机构4将对轴后的两根光纤紧紧靠在一起；之后利用氢氧焰进行加热，通过主控计算机8控制拉锥平台，同时监视耦合器的两个分支的光功率，进行光纤的熔融拉锥；拉锥完毕后，对耦合器进行在线封装，实现了保偏光纤耦合器的自动化制造过程。

Claims (8)

1、一种自动化保偏光纤耦合器熔融拉锥装置，其特征在于：它包括工作平台(1)以及装设于工作平台上的自动对轴机构(3)、中间靠近机构(4)、熔融拉锥机构(5)、在线封装机构(6)以及主控计算机(8)，所述工作平台(1)上设有呈左右对称布置的左机械平台(21)和右机械平台(22)以及控制面板(9)；自动对轴机构(3)包括四组结构完全相同的电动旋转机构(31)、光源(32)和显微图象系统(33)，所述四组电动旋转机构(31)呈对角线状设于左机械平台(21)和右机械平台(22)上，光源(32)和显微图象系统(33)设于工作平台(1)上；所述中间靠近机构(4)设于左机械平台(21)和右机械平台(22)上的中心线位置处，熔融拉锥机构(5)包括热源(51)和运动拉锥机构(52)，左机械平台(21)和右机械平台(22)分别固定于运动拉锥机构(52)上。

2、根据权利要求1所述的自动化保偏光纤耦合器熔融拉锥装置，其特征在于：所述电动旋转机构(31)包括步进电机(311)、主动齿轮(312)、从动齿轮(313)以及光纤夹具(314)，四组电动旋转机构(31)的步进电机(311)分别通过电缆与主控计算机(8)相连，主动齿轮(312)直接与步进电机(311)的输出轴相连，从动齿轮(313)与主动齿轮(312)相互啮合，该从动齿轮(313)与光纤夹具(314)相连。

3、根据权利要求1或2所述的自动化保偏光纤耦合器熔融拉锥装置，其特征在于：所述自动对轴机构(3)进一步包括设置于左机械平台(21)和右机械平台(22)上中心线两侧的辅助定位块(34)。

4、根据权利要求1或2所述的自动化保偏光纤耦合器熔融拉锥装置，其特征在于：所述中间靠近机构(4)包括两组结构完全相同且分别固定于左机械平台(21)和右机械平台(22)上的电动凸轮装置(41)，两组电动凸轮装置(41)分别位于左机械平台(21)和右机械平台(22)的中心线上；该电动凸轮装置(41)包括步进电机(411)、齿轮减速器(412)、凸轮(413)和相对设置的两片弹簧片(414)，齿轮减速器(412)的一端与步进电机(411)的输出轴相连，凸轮(413)固接于齿轮减速器(412)的另一端，两片弹簧片(414)呈“凹”字状，且两片弹簧片(414)的开口部呈相对设置，凸轮(413)位于两片弹簧片(414)中间开口部所形成的空腔处。

5、根据权利要求3所述的自动化保偏光纤耦合器熔融拉锥装置，其特征在于：所述中间靠近机构(4)包括两组结构完全相同且分别固定于左机械平台(21)和右机械平台(22)上的电动凸轮装置(41)，两组电动凸轮装置(41)分别位于左机械平台(21)和右机械平台(22)的中心线上；该电动凸轮装置(41)包括步进电机(411)、齿轮减速器(412)、凸轮(413)和相对设置的两片弹簧片(414)，齿轮减速器(412)的一端与步进电机(411)的输出轴相连，凸轮(413)固接于齿轮减速器(412)的另一端，两片弹簧片(414)呈“凹”字状，且两片弹簧片(414)的开口部呈相对设置，凸轮(413)位于两片弹簧片(414)中间开口部所形成的空腔处。

6、根据权利要求1或2所述的自动化保偏光纤耦合器熔融拉锥装置，其特征在于：所述显微图象系统(33)包括显微镜(331)、摄像头(332)和旋转支架(333)，显微镜(331)和摄像头(332)装设于旋转支架(333)上。

7、根据权利要求3所述的自动化保偏光纤耦合器熔融拉锥装置，其特征在于：所述显微图象系统(33)包括显微镜(331)、摄像头(332)和旋转支架(333)，显微镜(331)和摄像头(332)装设于旋转支架(333)上。

8、根据权利要求5所述的自动化保偏光纤耦合器熔融拉锥装置，其特征在于：所述显微图象系统(33)包括显微镜(331)、摄像头(332)和旋转支架(333)，显微镜(331)和摄像头(332)装设于旋转支架(333)上。

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