CN100555012C - 毛细管光纤与标准光纤的连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种毛细管光纤与标准光纤的连接方法。将毛细管光纤与标准单模或多模光纤各自的一端的涂敷层剥离、清洗并切割出一平整的光纤端面，再通过光纤焊接机熔融焊接，在焊点偏向标准单模或多模光纤的距离为δ处进行预加热Δt秒(δ取值范围为0.1～3.5mm，Δt取值范围为3-12秒)，然后实施熔融拉锥，形成一个锥形的光能量分配区，在实施熔融拉锥过程时，在毛细管光纤一端进行光功率监测，当锥体腰部拉细到光功率监测值达到最大时停止拉锥，形成锥体耦合区，在锥体耦合区外套有石英保护套管，并将石英保护套管两端与标准光纤和毛细管光纤之间密封。本发明解决了直径相同、横截面积配比不同的空心毛细管光纤与标准光纤的连接问题，制作容易，光波转换效率高。

Description

毛细管光纤与标准光纤的连接方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种光纤的连接方法，具体地说是一种毛细管光纤与标准单模光纤或多模光纤的连接方法。

(二)背景技术

光纤连接技术是光纤应用领域最基本的一项专门技术。光纤的连接是指把两根光纤端面结合在一起。对连接的基本要求是使光能量最大限度的从输入光纤中耦合过渡到接收光纤中。对光纤连接技术除了要求连接损耗小，回波损耗大外，还要求环境温度变化时性能保持稳定，并有足够的机械强度。因此需要精密的机械和光学设计和加工装配，以保证两个光纤端达到高精度匹配。

光纤连接的主要方式有如下三种：

1.固定连接。主要用于光缆线路中光纤间的永久性连接，多采用熔接，也有采用粘接和机械连接。特点是接头损耗小，机械强度较高。对固定连接的要求有以下几方面：连接损耗小，一致性较好；连接损耗稳定性要好，一般温差范围内不应有附加损耗的产生；具有足够的机械强度和使用寿命；操作应尽量简便，易于施工作业；接头体积要小，易于放置和防护；费用低，材料易于加工。

2.活动连接。主要用于光纤与传输***设备以及与仪表间的连接，主要是通过光连接插头进行连接。特点是接头灵活较好，调换连接点方便，损耗和反射较大是这种连接方式的不足。对其要求主要有以下几方面：连接损耗要小，单模光纤损耗小于0.5dB；应有较好的重复性和互换性。多次插拔和互换配件后，仍有较好的一致性；具有较好的稳定性，连接件紧固后***损耗稳定，不受温度变化的影响；体积要小，重量要轻；有一定的强度。

3.临时连接。测量尾纤与被测光纤间的耦合连接，一般采用此方法连接。特点是方便灵活，成本低，对损耗要求不高，临时测量时多采用此方式连接。要求损耗尽可能地低，在用V型槽和毛细管连接时，必须加配比液，否则无法消除菲涅尔反射。

光纤连接后，光经过接头部位将产生一定的损耗，称做光纤连接传输损耗，即接头损耗。光纤连接损耗产生的主要原因有(1)本征因素：对连接影响最大的单模光纤是模场直径。当模场直径失配20％时，将产生0.2dB以上的损耗。尽可能使用模场直径较小的光纤，对降低接续损耗具有重要的意义。(2)外界因素：外界对单模光纤接续损耗产生的主要因素为轴心错位和轴向倾斜。对于机械连接还有纵向分向和熔接的纤芯变形等因素。对于标准单模光纤，当轴心错位达到1.2μm时，引起的损耗可达0.5dB，提高连接定位的精度，可以有效的控制轴心错位的影响。当轴向倾斜达到1°时，将引起0.2dB的损耗。选用高质量的光纤切割刀，可以改善轴向倾斜引起的损耗。纤芯变形也是引起损耗的一个重要原因之一。当自动熔接机的电流、推进量、放电电流、时间等设置合理时，纤芯变形引起的损耗量可以做到0.02dB以下。

将光纤进行永久性连接时，目前多采用于自动熔接机进行熔接的方法，公开号为CN1399150的中国发明专利文件中给出了一种光纤熔接连结机和光纤熔接连接方法。对于所要连接的光纤为保偏光纤时，公开号为CN1177403的中国发明专利文件中，公开了一种光纤可以在两个电极之间转动的光纤熔接设备及连接方法。当入射光纤的光功率较大时，为了减少从单模光纤出射高功率信号时引起的负作用，公开号为CN1438503的中国发明专利文件中公开了一种将单模光纤在轴向与第二个没有纤芯也没有光功率的光学上均匀的玻璃光纤熔接在一起进行连接的方法，可以降低光功率对信号带来的负面影响。对于需要将光纤与光波导进行连接的情况，公开号为CN1295676的中国发明专利文件中给出了一种用激光束照射光纤和波导之间的交界面的方法使得在波导和光纤之间产生熔接接头。

接续技术是十分关键的技术。简化接续技术，提高接续质量，对扩大光纤应用领域将起到积极的促进作用。在先技术所解决的多数是标准光纤之间的连接问题，如图1所示。为了解决两根直径相同，纤芯数不同的光纤中光波转换与连接的问题，公开号为CN1967302A的中国发明专利文件中给出了一种单芯光纤与多芯光纤耦合器及其熔融拉锥耦合的方法，该技术中，两根光纤虽然纤芯数不同，但都是实心的光纤。而对于新型的光纤芯为环形波导结构的中空毛细管光纤而言，由于所需连接的光纤具有：(1)光纤截面的面积配比不同；(2)光波导的几何形状不同这两个主要差别，因此在连接过程中面临诸多困难。如何克服在先技术的不足，实现其与标准单模或多模光纤的连接，将是本发明拟解决的技术问题。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种简单实用，可以实现毛细管光纤与标准单模或多模光纤的连接的毛细管光纤与标准光纤的连接方法。

本发明的目的是这样实现的：

将毛细管光纤与标准单模或多模光纤各自的一端的涂敷层剥离、清洗并切割出一平整的光纤端面，再通过光纤焊接机熔融焊接，在焊点偏向标准单模或多模光纤的一小段距离为δ处进行预加热Δt秒(δ的取值范围为0.1～3.5mm；Δt取值范围为3～12秒)，然后实施熔融拉锥，形成一个锥形的光能量分配区，在实施熔融拉锥过程时，在毛细管光纤一端进行光功率监测，当锥体腰部拉细到光功率监测值达到最大时停止拉锥形成锥体耦合区，在锥体耦合区外套有石英保护套管，并将石英保护套管两端与标准光纤和毛细管光纤之间密封。

本发明还可以包括这样一些特征：

1、所述的毛细管光纤为具有环形纤芯波导结构的中空石英光纤，其环形纤芯波导结构位于毛细管的内壁或壁中间的任何位置，毛细管光纤与标准单模或多模光纤的横截面积比γ＜1。

2、所述的标准单模或多模光纤为单芯单模光纤或多模光纤。

3、所述的密封为在石英保护套管两端用CO₂激光器加热焊接。

4、所述的密封为在石英保护套管两端用环氧树脂封装固化。

通常对于两根结构相同的光纤而言，其连接可以采用光纤熔接的方法，其步骤是：首先将两个光纤端的涂覆层剥离、清洗后切割平整。然后将两个光纤端置于光纤熔接机的V形槽中进行对准。最后，通过两个电极的尖端放电加热两光纤端部，使其两端熔融后连接成一体，如图1所示。

对于本发明所述及的毛细管光纤和标准光纤而言，一方面，由于两种光纤的波导结构不同，因而依照通常的熔接方法不能实现其将光波从一种波导到另一种波导转换的功能。另一方面，两根直径相同的光纤，由于其中的一根为中空的毛细管光纤，如图2-a和图2-b所示，因而两根光纤的面积配比不同，热容量不同，所以难于直接实施简单的熔融拉锥来完成这两种光纤的耦合连接。

针对这一问题，本发明采用三个步骤来完成这两种直径相同、横截面积配比不同的实心光纤和空心毛细管光纤的连接与耦合。第一步，采用融接的办法，先将两种光纤进行焊接，如图3所示。第二步，将焊接好的两光纤置于拉锥机上，进行加热拉锥，如图4所示。考虑到两种光纤的截面配比不同，因此，如果将加热温度场的中心置于焊接点处，则由于空心毛细管光纤一侧材料体积和热容量均比实心光纤一侧少，因此毛细管光纤端将会首先达到软化点，导致两边所受的拉应力和拉应变不均衡，形成如图5(a)所示的锥体形状，这将导致连接的光学损耗过大，且机械结构强度非常脆弱，易于损坏。为此我们提出将加热温区的中心偏离焊接点的技术方案，如图6所示。当将加热温区向实心光纤一侧偏离一小段适当的距离δ时，并在实施拉锥前提前进行时间为Δt的预加热。这样，由于温度场的偏离，就会使实心光纤端的预加热量增大，空心毛细管光纤端预加热量减小，从而使得实心光纤端的温度略高于空心光纤端的温度，导致两端软化程度有所不同，进而使得两种光纤的拉应力和拉应变达到均衡，而获得如图5(b)所示的理想锥体耦合连接效果。如果热场中心偏移量δ过大或预加热时间过长，会导致实心光纤端温度过高过软而出现矫正过大的情况，如图5(c)所示，这也同样会加大连接损耗，因此对偏移量δ与预加热时间Δt的选择成为获得理想的耦合连接的关键。为了确定偏移量δ与预加热时间Δt，首先应测量加热温区的有效宽度l(见图6)，然后依据空心光纤与实心光纤的面积比γ，按照等式l＝γ(l+δ₀)确定初步的偏移量δ₀；然后在相同的加热装置上分别对空心光纤和实心光纤进行加热并测量拉应力，获得如图7所示的拉应力曲线，两条拉应力曲线的软化点所对应时间的平均值Δt₀为初步确定的预加热时间。然后，在此基础上，通过若干次实验，对上述两个参数进行小的调整与修正，即可以获得准确的偏移量δ与预加热时间Δt，得到满意的连接结果。第三步，在锥体耦合过渡区加装石英保护套管，并进一步用激光或环氧树脂密封，起到机械加强的作用，完成这两种不同的光纤的连接。

本发明所提出的一种毛细管光纤与标准单模光纤或多模光纤的连接方法能够克服在先技术的不足，达到解决所提出的问题的目的。该方法的技术特征在于将毛细管光纤与标准单模或多模光纤通过将各自的一端的涂敷层剥离、清洗并切割出平整的光纤端面的步骤，再通过光纤焊接机熔融焊接，如图3所示，接着在焊点偏向标准光纤的距离δ处进行预加热，预加热时间为Δt，然后实施熔融拉锥，如图4所示。从而形成一个锥形的光能量分配区，以便完成光能量从一个集中的实心波导区向一个空心的环形波导区进行转换，如图8所示。在实施熔融拉锥过程时，在毛细管光纤一端进行光功率监测，并当锥体腰部拉细到光功率监测值达到最大时停止拉锥，与形成的锥体耦合区连成一体，在锥体耦合区外有石英保护套管，石英保护套管两端与标准单模或多模光纤和毛细管光纤之间密封。该方法实现了将标准单模或多模光纤中的光功率转换到具有环形区域的毛细管环形芯光纤中，如图9所示，达到了光波在两种不同结构光纤中的转换过渡与连接的目的。

本发明所提出的一种毛细管光纤与标准单模光纤或多模光纤的连接方法，其中所述的毛细管光纤为具有环形纤芯波导结构的中空石英光纤，其环形纤芯波导结构可以位于毛细管的内壁或位于毛细管壁中间的任何位置。

本发明所提出的一种毛细管光纤与标准单模光纤或多模光纤的连接方法，其中所述的标准单模或多模光纤为单芯单模光纤或单芯多模光纤。

本发明所提出的一种毛细管光纤与标准单模光纤或多模光纤的连接方法，其中所述的两种光纤焊接后，加热区中心距离两种光纤焊点处预先留有间距δ，该距离的变化范围在0.1～3.5mm之间，预加热时间Δt的变化范围为3～12秒，具体参量取决于两种光纤的材料软化点温度以及毛细管光纤与标准光纤的面积配比的具体情况。在完成焊接与拉锥耦合步骤后，由于锥体腰部较细，为了使得连接达到一定的机械强度，因而需要对锥体连接加装石英套管，一方面是提高机械强度，另一方面是进行封装保护，如图9所示。

本发明所提出的一种毛细管光纤与标准单模光纤或多模光纤的连接方法，其中所述的密封有两种方式，一种为在石英保护套管两端用CO₂激光器加热焊接。另一种为在石英保护套管两端用环氧树脂封装固化。

本发明的优点主要体现在克服了在先技术的不足，解决了直径相同、横截面积配比不同的空心毛细管光纤与标准光纤的连接问题，制作容易，光波转换效率高。为空心毛细管光纤器件直接***标准单模光纤通信链路中提供了一种有效的方法和技术。

(四)附图说明

图1是两段标准光纤采用熔融焊接法实施光纤连接的示意图，其中：1.1为单芯光纤，1.2为尖端电极。

图2-a和图2-b是两种典型的毛细管光纤断面结构示意图，其中图2-a是一种具有环形芯结构的毛细管光纤横断面图，其环形导光芯层位于毛细管内壁。其中2.3为毛细管光纤基体，是折射率较低的石英或玻璃；2.4为环形波导光纤芯；2.5是毛细管的空腔。图2-b是另一种具有环形芯结构的毛细管光纤横断面图，其环形导光芯层位于毛细管壁中间。其中2.3为毛细管光纤基体，是折射率较低的石英或玻璃；2.4为环形波导光纤芯；2.5是毛细管的空腔。

图3是环形芯毛细管光纤与标准单模或多模光纤的焊接示意图。其中3.1为标准单芯光纤，3.3为具有环形芯结构的毛细管光纤，3.4为处于环形分布状态的光纤芯；3.6为单芯光纤与环形多芯光纤的焊点交界面。

图4是环形芯毛细管光纤与标准单模或多模光纤的焊接后实施熔融拉锥示意图。其中4.1为标准单芯光纤，4.3为具有环形芯结构的毛细管光纤，4.7为氢氧焰，4.8是压紧两个光纤端的V形槽。

图5-a-图5-c是空心毛细管光纤与标准单模或多模光纤的焊接后实施熔融拉锥后的连接锥体部分的外观图，其中图5-a为没有偏移量所对应的情况；图5-b为偏移量适中的情况；图5-c所示的是偏移量过大的情况。图中5.9为实心光纤锥体部分，5.10为空心光纤锥体部分。

图6是对称分布的加热温区与两光纤融接面偏移量关系示意图。其中δ为偏移量，l为加热区的有效长度。图中6.1为标准单模或多模光纤，6.3为环形芯毛细管光纤，6.11为加热温区。

图7是两种光纤各自单独进行熔融拉锥过程中所形成两条曲线。

图8是环形芯毛细管光纤与标准单模或多模光纤在焊点处经过拉锥后的光耦合连接示意图。其中8.1为标准单芯光纤，8.3为具有环形芯结构的毛细管光纤；8.4为处于环形分布状态的光纤芯；8.12为拉制成双锥体的两光纤连接区。

图9是环形芯毛细管光纤与标准单模或多模光纤在完成直接焊接和熔融拉锥后，加装保护石英套管封装后的结构示意图。其中9.1为标准单芯光纤，9.3为具有环形芯结构的毛细管光纤；9.13为拉制成双锥体的两光纤连接区，9.14为加装的保护石英套管，ΔL是锥体拉伸区的长度。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

实施例(一)：

本发明在制作实施过程中是这样实现的，包括以下几个步骤：

1.如图2-a所示的空心毛细管光纤，将其一端的涂敷层剥离，然后清洗干净，在清洗的过程中要避免液体进入毛细管光纤的空心腔体中；

2.小心切割出平整的毛细管光纤端面；

3.将待连接的标准实体单芯光纤按上述同样的步骤制备光纤端；

4.将制备好的一段石英保护管套在标准单芯光纤或毛细管光纤的一端；

5.将制备好的两光纤端在光纤熔接机进行对接并焊接，如图1所示；

6.在实施熔融拉锥时，由于所用的两种光纤直径相同，均为125微米。空心毛细管光纤材料的软化点和标准光纤所用材料的软化点也相同，而毛细管光纤与标准石英光纤的横截面积比为2/3，因而在本实施例中，火焰加热中心区应靠近标准实心光纤一边，加热中心与焊点之间的预设距离为δ＝1.6mm，先进行预加热8秒钟，标准实心光纤和空心毛细管光纤均加热至熔融状态，由于加热区中心偏向实心光纤一面，因而标准光纤一面将会比空心毛细管光纤一端略软一些，弥补了空心毛细管光纤截面积小于实心的标准光纤的不足，使得两端的粘滞拉力近似相等，然后进行拉锥；

7.在拉锥的同时，在空心毛细管光纤一端进行光功率监测，当输出光功率达到最大时，停止拉锥；

8.将石英毛细套管调至锥体耦合区，然后在毛细套管两端用CO₂激光器加热焊接密封，或者用还氧树脂封装固化，然后进行二次涂覆完成整体保护。

实施例(二)：

本发明的第二个实施例在制作实施过程中是这样实现的，包括以下几个步骤：

1.取如图2-b所示的空心毛细管光纤，将其一端的涂敷层剥离，然后清洗干净，在清洗的过程中要避免液体进入毛细管光纤的空心腔体中；

2.小心切割出平整的毛细管光纤端面；

3.将待连接的标准实体单芯光纤按上述同样的步骤制备光纤端；

4.将制备好的一段石英保护管套在标准单芯光纤或毛细管光纤的一端；

5.将制备好的两光纤端在光纤熔接机进行对接并焊接，如图1所示；

6.在事实熔融拉锥时，由于所用的两种光纤直径相同，均为125微米。空心毛细管光纤材料的软化点和标准光纤所用材料的软化点也相同，而毛细管光纤与标准石英光纤的横截面积比为3/5，因而在本实施例中，火焰加热中心区应靠近标准实心光纤一边，加热中心与焊点之间的预设距离为δ＝1.2mm，先进行预加热6秒钟，标准实心光纤和空心毛细管光纤均加热至熔融状态，由于加热区中心偏向实心光纤一面，因而标准光纤一面将会比空心毛细管光纤一端略软一些，弥补了空心毛细管光纤截面积小于实心的标准光纤的不足，使得两端的粘滞拉力近似相等，然后进行拉锥；

7.在拉锥的同时，在空心毛细管光纤一端进行光功率监测，当输出光功率达到最大时，停止拉锥；

8.将石英毛细套管调至锥体耦合区，然后在毛细套管两端用CO₂激光器加热焊接密封，或者用还氧树脂封装固化，然后进行二次涂覆完成整体保护。

Claims (7)

1、一种毛细管光纤与标准光纤的连接方法，将毛细管光纤与标准单模或多模光纤各自的一端的涂敷层剥离、清洗并切割出一平整的光纤端面，再通过光纤焊接机熔融焊接，其特征是：在焊点偏向标准单模或多模光纤的距离为δ处进行预加热Δt秒，其中：δ的取值范围为0.1～3.5mm；Δt的取值范围为3～12秒，然后实施熔融拉锥，形成一个锥形的光能量分配区，在实施熔融拉锥过程时，在毛细管光纤一端进行光功率监测，当锥体腰部拉细到光功率监测值达到最大时停止拉锥形成锥体耦合区，在锥体耦合区外套有石英保护套管，并将石英保护套管两端与标准单模或多模光纤和毛细管光纤之间密封。

2、根据权利要求1所述的毛细管光纤与标准光纤的连接方法，其特征是：所述的毛细管光纤为具有环形纤芯波导结构的中空石英光纤，其环形纤芯波导结构位于毛细管光纤基体的内壁或毛细管光纤基体的内壁和外壁之间的任何位置，毛细管光纤的外径与标准单模或多模光纤的外径相同，毛细管光纤与标准单模或多模光纤的横截面积比γ＜1。

3、根据权利要求1或2所述的毛细管光纤与标准光纤的连接方法，其特征是：所述的标准单模或多模光纤为单芯单模光纤或单芯多模光纤。

4、根据权利要求1或2所述的毛细管光纤与标准光纤的连接方法，其特征是：所述的密封为在石英保护套管两端用CO₂激光器加热焊接。

5、根据权利要求3所述的毛细管光纤与标准光纤的连接方法，其特征是：所述的密封为在石英保护套管两端用CO₂激光器加热焊接。

6、根据权利要求1或2所述的毛细管光纤与标准光纤的连接方法，其特征是：所述的密封为在石英保护套管两端用环氧树脂封装固化。

7、根据权利要求3所述的毛细管光纤与标准光纤的连接方法，其特征是：所述的密封为在石英保护套管两端用环氧树脂封装固化。

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