CN117724209A - 一种适于大模场保偏光子晶体光纤的对接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光导耦合技术领域，具体涉及一种适于大模场保偏光子晶体光纤的对接方法。将两段待对接的光纤剥除端部涂覆层并精确切割端面；切割内径大于光纤外径的两段玻璃管使其端面齐整；将光纤正对放置，套上对应玻璃管，确保玻璃管与光纤间无接触；对齐光纤并调整距离；对齐玻璃管并调整距离；熔接玻璃管；粘接玻璃管与光纤。本发明提供的上述对接方法，可用于大模场保偏光子晶体光纤的对接，能够克服对接过程中的孔洞塌陷以及机械强度下降的问题。
Description
技术领域
本发明属于光导耦合技术领域，具体涉及一种适于大模场保偏光子晶体光纤的对接方法。
背景技术
电弧放电熔接技术是目前光纤通信工程中最常见的光纤熔接方法。首先通过专业的光纤切割工具将两根待熔接的光纤端面精确切割平整，并确保端面无灰尘、油脂等杂质。然后将清洁后的光纤放入光纤熔接机中，通过显微成像***实现两根光纤端面的精密对准。如图1所示意的，在对准过程中，利用马达对齐***两侧的夹具分别夹持并驱动光纤进行细微调整，使两光纤轴心尽量重合。当光纤端面达到理想对准状态后，熔接机通过电极产生电弧放电，电弧产生的高温作用于熔接部位使光纤端面熔化并熔接在一起，冷却后形成稳定的熔接头。
电弧放电熔接实施方便且成本低，适用常规光纤的批量化熔接。然而，光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）不同于常规的光纤，在其包层内沿轴向有序排列了一系列微小的空气孔洞结构，以实现对光束的有效引导和轴向传输。这种独特的波导构造赋予了光子晶体光纤一系列超越常规光纤的独特性能，如无限单模传输能力、不受温度影响的稳定性、弯曲不敏感性以及良好的抗辐射性能等。光子晶体光纤内部特有的多孔内部结构也给熔接带来了严峻的挑战，如直接套用传统的光纤熔接技术，将导致孔洞结构塌陷、熔接损耗大幅度增加以及光纤整体强度下降等问题。电弧放电瞬时温度高，电极附近温度场分部不均且难以精确控制，加剧熔接部位的孔洞塌陷，改变光纤结构，引起熔接损耗增加。虽然通过对放电时间、放电电流等熔接参数进行调整可以一定程度地减轻孔洞塌陷，但减轻的幅度有限，并且往往需要牺牲熔接部位的机械强度，不利于实际工程应用。
针对光子晶体光纤的熔接，如CN102890309A、CN1969208A、CN101571611A、CN104166183A、CN104297849A等专利公开文本所记载的，目前研究较多的是光子晶体光纤与普通光纤熔接以及小直径光子晶体光纤的熔接。比如专利CN104297849A提出了一种适于包层直径125μm光子晶体光纤与125μm光子晶体光纤熔接方式，熔接过程中需相向推移光纤端面并精确控制重叠度。上述方法在小尺寸光纤熔接过程中能够一定程度的减少气孔塌陷，但仍然难以从根本上解决局部高温熔接引起的孔洞塌陷以及机械强度下降。并且可以预见的是，随着光纤尺寸的增大，熔接所需的放电量也随之增大，引起光子晶体光纤气孔塌陷进一步加剧。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是要提供一种适于大模场保偏光子晶体光纤的对接方法，并且克服对接过程中存在的孔洞塌陷以及机械强度下降的问题。
本发明提供的适于大模场保偏光子晶体光纤的对接方法，包括以下步骤：
步骤S1：准备待对接的两段大模场光子晶体光纤，将光纤的对接端剥除涂覆层形成去涂覆段，将去涂覆段的端面切割齐整；
步骤S2：准备待对接的两段玻璃管，并将每段玻璃管的对接端切割齐整；玻璃管的内径大于光纤的外径；
步骤S3：将步骤S1准备的两段光纤正对布置，且两段光纤的去涂覆段彼此正对；将步骤S2准备的两段玻璃管分别套置于两段光纤上，且两段玻璃管的对接端彼此正对；控制去涂覆段露出玻璃管，控制玻璃管与内部的光纤不接触；玻璃管的延伸方向记为Z轴方向；
步骤S4：将两段光纤的应力轴对齐，将两段光纤在垂直于Z轴方向上对齐，将两段光纤的去涂覆段的端面在Z轴方向上的距离调整为8μm ~26μm；
步骤S5：将两段玻璃管在垂直于Z轴方向上对齐，将两段玻璃管的端面在Z轴方向上的距离调整为2μm ~5μm；
步骤S6：将两段玻璃管熔接在一起；
步骤S7：使用胶黏剂分别将两段光纤与熔接后的玻璃管粘接在一起。
本发明的上述方法通过引入玻璃管作为熔接中介能够彻底解决大模场保偏光子晶体光纤对接过程中存在的孔洞塌陷以及机械强度下降的问题。由于传统方法电弧放电熔接时，高温会直接影响光子晶体光纤内部的空气孔洞结构，导致孔洞塌陷，进而增加熔接损耗和降低光纤整体强度。而本发明将光纤置于玻璃管内，只对玻璃管进行熔接，这样就规避了熔接过程中的高温对光纤内部孔洞结构的直接作用，从而防止孔洞塌陷。使用胶黏剂将光纤与熔接后的玻璃管紧密粘接在一起，使光纤保持位置稳定，同时熔接后的玻璃管包裹在光纤外能够有效保护光纤，显著增强熔接部位的机械强度，避免在后续使用过程中受到外力冲击时发生断裂。步骤S4中需要将两段光纤的去涂覆段的端面在Z轴方向上的距离调整为8μm ~26μm，经实验验证这个距离既可以防止光纤抖动造成光纤端面碰伤，也可以避免激光在该段距离传输时产生过大的损耗。由此可见，本发明的方法成功绕开了传统熔接技术对光子晶体光纤内部特殊结构的破坏，实现了高质量、低损耗的大模场保偏光子晶体光纤的对接。
本发明提供的上述对接方法可用于大模场保偏光子晶体光纤的对接并且表现出显著的优势（大模场光纤通常是指纤芯直径＞10μm、包层直径＞125μm的光纤）。但也应理解，该方法由于不直接对光纤进行熔接，因此不受光纤的种类和尺寸的限制，除了可用于对不同直径的光子晶体光纤的对接，还可广泛应用于其他类型的光纤的对接。
进一步地，在步骤S1中，光纤剥除涂覆层形成去涂覆段的长度优选为20mm~30mm，去涂覆段切割后保留的长度优选为3mm~8mm，更优选为5mm。
进一步地，在步骤S1中，去涂覆段的端面切割后，光纤角度不超过1度。
进一步地，在步骤S2中，玻璃管的内径与光纤的外径的差值为300μm~1000μm，进一步优选为400μm~600μm。
进一步地，在步骤S2中，玻璃管的壁厚为0.2mm~0.8mm，进一步优选为0.4mm~0.6mm。
进一步地，在步骤S2中，玻璃管的对接端的切割角度限定在1度以内。
进一步地，在步骤S3中，将两段光纤和两段玻璃管置于具有两套马达对齐***和一套电极放电***的熔接装置上；熔接装置中的第一套马达对齐***，具有两个夹具各夹紧一段光纤，用于将光纤对齐；熔接装置中的第二套马达对齐***，具有两个夹具各夹紧一段玻璃管，用于将玻璃管对齐。
进一步地，在步骤S4中，两段光纤的去涂覆段的端面在Z轴方向上的距离为9μm ~16μm，更进一步为10μm ~15μm，例如10μm、12μm。
进一步地，在步骤S5中，两段玻璃管的端面在Z轴方向上的距离优选为4μm ~5μm。
进一步地，在步骤S6中，将熔接装置的电极放电***产生的电弧作用于两段玻璃管的接合部位，将两段玻璃管熔接在一起。
进一步地，在步骤S6中，熔接装置的电极放电***具有三个彼此夹角为120度的放电电极，放电电极的放电尖端均指向熔接部位。
进一步地，在步骤S7中，粘接光纤与熔接后的玻璃管使用的胶黏剂为具有流动性的胶黏剂。
进一步地，在步骤S7中，胶黏剂施于熔接后的玻璃管的两端的端面上，且胶黏剂施于光纤的上方；胶黏剂在毛细作用下填充于玻璃管与光纤之间的缝隙内。
有益效果
本发明的方法避免了传统电弧放电熔接时高温对光子晶体光纤内部空气孔洞结构的直接作用，从而防止孔洞塌陷，降低熔接损耗。
本发明的方法将光纤置于玻璃管内后对玻璃管进行熔接，然后使用胶黏剂将光纤与熔接后的玻璃管紧密粘接，增强了接合部位的机械强度，保护光纤在受外力时不易断裂。
本发明的方法通过精确调节光纤端面之间的距离，既防止光纤抖动造成的端面碰伤，也避免激光传输过程中的过大损耗，实现高质量、低损耗的对接。
本发明的方法由于不直接对光纤进行熔接，因此不受光纤种类和尺寸限制，不仅可以应用于不同直径的光子晶体光纤的对接，还可应用于其他类型光纤的对接。
本发明的方法对接得到的大模场保偏光子晶体光纤在试验测试中表现出优异的性能，部分样品的光光效率接近于同等长度未熔接光子晶体光纤的光光效率。
附图说明
图1为采用现有电弧放电熔接技术熔接光纤的示意图。
图2为采用本发明的方法对接光纤在光纤对齐阶段的示意图。
图3为图2中对接区的局部放大图。
图4为采用本发明的方法对接光纤在玻璃管熔接阶段的示意图。
图5为施胶区域的示意图。
图6为对接完成的光纤的实物图。
图7为样品的性能测试结果图。
具体实施方式
实施例1
以NKT公司生产的DC-200-40-PZ-Yb光纤为例，该光纤纤芯直径40μm，内包层直径200μm，外包层直径450μm，涂覆层直径540μm。
选择两段长度为1米的DC-200-40-PZ-Yb光纤，分别为光纤G1和光纤G2。将每段光纤的其中一端的涂覆层剥除，涂覆层剥除长度20mm，擦拭干净后使用藤仓公司的特种光纤切割刀CT106对涂覆层剥除部位进行切割，切割长度15mm。
切割完成后，使用藤仓100P+光纤熔接机测量光纤G1和光纤G2的切割端面的角度，确保光纤角度不超过1度，该端面用于后续对接。如果光纤角度超过1度，需要重新切割，直至光纤角度不超过1度。
取内径1.0mm、壁厚0.50mm的玻璃管，擦拭干净后切割得到两段长度为10mm的玻璃管，分别为玻璃管B1和玻璃管B2。使用特种光纤切割刀CT106对玻璃管B1和玻璃管B2进行切割时，其中一端的切割角度限定在1度以内用于后续对接。
将切割完成的光纤G1、光纤G2、玻璃管B1、玻璃管B2置于具有两套马达对齐***和一套电极放电***的熔接装置上。如图2所示，第一套马达对齐***具有夹具J1和夹具J2，其中夹具J1夹持光纤G1，夹具J2夹持光纤G2；第二套马达对齐***具有夹具J3和夹具J4，其中夹具J3夹持玻璃管B1，夹具J4夹持玻璃管B2。夹具J3和夹具J4相较于夹具J1和夹具J2更靠近中央的对接区。光纤G1穿过玻璃管B1，光纤G2穿过玻璃管B2，并且光纤G1与光纤G2在中央的对接区正对。如图3所示，光纤G1的涂覆层剥除部分相对于玻璃管B1露出，光纤G2的涂覆层剥除部分相对于玻璃管B2露出。
使用第一套马达对齐***对光纤G1和光纤G2的端部进行对齐，包括应力轴的对齐和XY方向的对齐，对齐后调整在z轴方向上的距离，使光纤G1和光纤G2端面之间的距离为10μm。
使用第二套马达对齐***调节玻璃管B1和玻璃管B2的位置，使玻璃管B1和玻璃管B2在XY方向对齐且端面距离缩小至5μm。
使用电极放电***熔接玻璃管B1和玻璃管B2。如图4所示，电极放电***具有三个彼此夹角为120度的放电电极，分别为电极D1、电极D2和电极D3，放电电极的放电尖端指向熔接部位，放电产生的电弧将玻璃管B1和玻璃管B2的端面熔接在一起。放电时，夹具J3和夹具J4夹持着玻璃管B1和玻璃管B2绕轴线旋转以提高熔接部位的均匀性，夹具J1和夹具J1夹持着光纤G1和光纤G2保持静止，避免对齐的光纤G1和光纤G2发生偏移。
熔接后，在玻璃管B1和玻璃管B2的外端面上进行点胶，点胶的部位位于光纤G1和光纤G2的正上方。以在玻璃管B1外端面上进行点胶为例，如图5所示，施胶区域S1位于玻璃管B1的外端面上且位于光纤G1的正上方。胶黏剂具有流动性，当胶黏剂施于施胶区域S1后，胶黏剂在重力作用下流动至光纤G1的表面，并进一步在毛细作用下进入玻璃管B1与光纤G1之间的缝隙内，将玻璃管B1与光纤G1粘合在一起。同理，采用同样的方法施胶将玻璃管B2与光纤G2粘合在一起。待胶黏剂完全凝固后得到完成对接的大模场保偏光子晶体光纤，如图6所示。
实施例2至实施例5
参照实施例1的步骤对接大模场保偏光子晶体光纤，区别仅在于第一套马达对齐***调整光纤G1和光纤G2的Z轴方向位置时，将光纤G1和光纤G2的端面距离调整为不同的距离。具体地，实施例2中光纤G1和光纤G2的端面距离被调整为5μm，实施例3中光纤G1和光纤G2的端面距离被调整为15μm，实施例4中光纤G1和光纤G2的端面距离被调整为20μm，实施例5中光纤G1和光纤G2的端面距离被调整为25μm。
性能测试
每一实施例随机选取五个样品按如下方法进行性能测试。将实施例制得的样品的一端与普通保偏光纤PLMA-GDF-30/250熔接，另一端与端帽熔接，作为主放大级接入光纤激光器中，测得光光效率取平均值，结果如图7所示。
结果表明，当光纤端面距离调整为10μm或15μm时，样品（长度约2m）的光光效率可达70%左右，接近于2m的光子晶体光纤接的光光效率（约72.3%）；当光纤端面距离调整为20μm或25μm时，光光效率均超过60%。另外，当光纤端面距离调整为5μm时，由于端面距离过小，光纤端面容易因抖动造成碰伤（抽取的五个样品中有三个碰伤），不具有实施意义。
以上实施方式是示例性的，其目的是说明本发明的技术构思及特点，以便熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适于大模场保偏光子晶体光纤的对接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：准备待对接的两段光纤，将光纤的对接端剥除涂覆层形成去涂覆段 ，将去涂覆段的端面切割齐整；
步骤S2：准备待对接的两段玻璃管，并将每段玻璃管的对接端切割齐整；玻璃管的内径大于光纤的外径；
步骤S3：将步骤S1准备的两段光纤正对布置，且两段光纤的去涂覆段彼此正对；将步骤S2准备的两段玻璃管分别套置于两段光纤上，且两段玻璃管的对接端彼此正对；控制去涂覆段露出玻璃管，控制玻璃管与内部的光纤不接触；玻璃管的延伸方向记为Z轴方向；
步骤S4：将两段光纤的应力轴对齐，将两段光纤在垂直于Z轴方向上对齐，将两段光纤的去涂覆段的端面在Z轴方向上的距离调整为8μm ~26μm；
步骤S5：将两段玻璃管在垂直于Z轴方向上对齐，将两段玻璃管的端面在Z轴方向上的距离调整为2μm ~5μm；
步骤S6：将两段玻璃管熔接在一起；
步骤S7：使用胶黏剂分别将两段光纤与熔接后的玻璃管粘接在一起。
2.根据权利要求1所述的适于大模场保偏光子晶体光纤的对接方法，其特征在于：待对接的两段光纤均为大模场光子晶体光纤，纤芯直径＞10μm，且包层直径＞125μm。
3.根据权利要求1所述的适于大模场保偏光子晶体光纤的对接方法，其特征在于：在步骤S1中，光纤剥除涂覆层形成去涂覆段的长度为20mm~30mm，去涂覆段切割后保留的长度为3mm~8mm；去涂覆段的端面切割后，光纤角度不超过1度。
4.根据权利要求1所述的适于大模场保偏光子晶体光纤的对接方法，其特征在于：在步骤S2中，玻璃管的内径与光纤的外径的差值为300μm~1000μm；玻璃管的壁厚为0.2mm~0.8mm。
5.根据权利要求1所述的适于大模场保偏光子晶体光纤的对接方法，其特征在于：在步骤S2中，玻璃管的对接端的切割角度限定在1度以内。
6.根据权利要求1所述的适于大模场保偏光子晶体光纤的对接方法，其特征在于：在步骤S3中，将两段光纤和两段玻璃管置于具有两套马达对齐***和一套电极放电***的熔接装置上；熔接装置中的第一套马达对齐***，具有两个夹具各夹紧一段光纤，用于将光纤对齐；熔接装置中的第二套马达对齐***，具有两个夹具各夹紧一段玻璃管，用于将玻璃管对齐。
7.根据权利要求1所述的适于大模场保偏光子晶体光纤的对接方法，其特征在于：在步骤S4中，两段光纤的去涂覆段的端面在Z轴方向上的距离为9μm ~16μm。
8.根据权利要求1所述的适于大模场保偏光子晶体光纤的对接方法，其特征在于：在步骤S6中，将熔接装置的电极放电***产生的电弧作用于两段玻璃管的接合部位，将两段玻璃管熔接在一起；熔接装置的电极放电***具有三个彼此夹角为120度的放电电极，放电电极的放电尖端均指向熔接部位。
9.根据权利要求1所述的适于大模场保偏光子晶体光纤的对接方法，其特征在于：在步骤S7中，粘接光纤与熔接后的玻璃管使用的胶黏剂为具有流动性的胶黏剂。
10.根据权利要求9所述的适于大模场保偏光子晶体光纤的对接方法，其特征在于：在步骤S7中，胶黏剂施于熔接后的玻璃管的两端的端面上，且胶黏剂施于光纤的上方；胶黏剂在毛细作用下填充于玻璃管与光纤之间的缝隙内。
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