光纤熔接

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定义:通过熔化光纤端口制作低损耗光纤接头的技术。

熔接的原理是将两根裸光纤(剥除涂层)端口加热熔化连接在一起。更准确的说,是将两光纤端口接近,中间有很小的空隙。加热一段时间后,端面熔化,然后再将它们推到一起,这样光纤端口就熔接在一起了。

加热的同时还需要结合高压放电,但是还有其他的方法:电加热镍铬合金丝,一个 [[CO2激光]]器和一个气体火焰。

表面张力的存在能够得到更好的对准效果,如果光纤纤芯就在光纤轴上。在光纤熔接之前需要精确的对准两根光纤使纤芯重合(即使它们稍微离心),但是表面张力也有可能拉伸光纤端面沿着使总面积匹配的方向(而不是纤芯)。

熔接多模光纤更加容易。只有当光纤参数不匹配时才会出现很大的损耗,例如如果纤芯面积不同。单模光纤熔接过程就要求比较高。其中,得到低损耗节点的理想条件为:

  1. 光纤为石英光纤。其它玻璃材料不是都适合熔接。
  2. 针对给定的光学类型(材料和直径)优化光纤熔接机的参数(电流和电弧时间)。
  3. 光纤包层直径相等。
  4. 光纤涂层完全去除,可采用溶剂溶解。
  5. 制备合适的光纤端口,采用准确的垂直切割,无表面不规则及无尘。光纤切割(采用光纤切割刀)就可以满足要求。
  6. 光纤纤芯沿着光纤轴,并且精确对准。(在显微镜下观察。)
  7. 有效模式面积相同,并且不是太小。

在理想条件下,熔接过程损耗很小,在0.02 dB量级。几乎没有光在接点被反射。接点位置在显微镜下很难看到。但是,如果光纤表面受到了一些损伤时,接点和其周围位置处的机械强度小于正常的裸光纤;很小的划痕就足够引起该效应。需要注意的是,光纤熔接之前需要将保护涂层剥除,而剥除过程有可能会损伤光纤表面。熔接之后,通常需要涂覆新的涂层或者加入一些保护材料(例如,热缩保护或机械压接器)是为了得到足够的机械强度。

在非理想条件下也能得到低损耗节点,例如,光纤具有不同直径的情况。当光纤纤芯不在中心,需要调整光的出入量进行对准。但是,连接过程可能不是很可靠需要更加仔细。可能需要重复多次进行熔接才能得到满意的结果。

熔接之后,通常需要采用接头保护套来保护熔接区域。需要注意的是剥除包层的光纤较脆弱需要额外的保护。


目录

熔接机的特性

能得到高质量接点的仪器需要具有下面的性质:

  1. 特制的光纤夹具可以准确固定光纤。至少需要一个夹具可以使用螺旋千分尺调节。
  2. 熔接保偏光纤时,需要将一根光纤绕着其轴旋转。
  3. 显微镜可以观察光纤端口的质量和对准情况。通常,两个垂直平面的图像可以通过一个手柄来切换。通常可以看到光纤纤芯
  4. 不需要与光纤接触的预放电过程可以清洁表面。
  5. 很多熔接机可以根据相机影像或者控制光出入功率实现自动对准。后者情况下,需要在光纤端口连接一个光源,另一端连接一个光探测器
  6. 还有装置可以测量接点的质量。


测试熔接点

测试接点的第一步是采用熔接机中的显微镜进行检查。通常很难看到接点。但是,可能能看到光纤纤芯偏移引起的问题。

在光纤中注入可见光后,错误的接点处会产生杂散光,易于辨认,但是这并不能给出接点质量定量的值。

准确测量节电损耗非常重要,但是比较困难。需要先射入准确知道功率的光进入光纤,然后测量其输出功率,精度为0.1 dB。

光时域反射仪(OTDR)通常用来检查包含接点的光纤电缆。可以检查出明显的错误及其位置。但是,这需要很昂贵的OTDR仪器。


熔接的优势和局限性

与其它制作光纤接头的技术相比,熔接技术具有下列优势:

  1. 没有其它方法比它能得到更低的损耗和更弱的反射。
  2. 得到的接头非常稳定,即不需要保持对准,也没有灰尘会影响接点。
  3. 不需要其它部分或材料,除了需要在熔接后保护光纤。

但是熔接过程也具有一些不理想的地方:

  1. 熔接机非常昂贵,并且其使用方法需要操作者经过准确的训练。
  2. 与机械接点装置相比,它很难应用于野外,因为它比较大并且还需要电。
  3. 接头很难移除。因为移除需要一个新的切割点,还需要切割表面。

需要注意的是,在高功率光纤激光器和放大器中,在接点处的损耗足够点燃材料,尤其是光纤涂层。这表明不仅功率效率需要高质量接点,稳定工作也需要。

室外光纤电缆中长采用熔接方法;长的电缆通常是将光纤电缆熔接一起,每一根长度为几千米。对于室内传输电缆来说,通常使用机械接点或者光纤连接器,避免使用昂贵的熔接机。熔接通常用于工厂中制作稳定的光纤装置,例如光纤激光器放大器


参考文献

[1] A. D. Yablon, Optical Fiber Fusion Splicing, Springer, New York (2005)


参阅:光纤光纤接头光学切割