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1、实训一石英光纤端面处理、耦合与熔接技术一、实验目的1. 掌握光纤头平端面处理技术；2. 掌握光纤与光纤之间的耦合调试技术，体会光纤横向和纵向偏差对光纤耦合损耗的影响；3. 掌握光纤熔接的基本技术。二、实验原理与装置（一）光纤端面处理在光纤的各种应用中，光纤端面处理是一种最基本的技术。光纤端而处理的形式可分为两种：平而光纤头与微透镜光纤头，前者多用丁各种光无源器件以及光纤的连接与连续；后者则多用丁光纤和各种光源及光探测之间的耦合。光纤端面处理的基本步骤为：1）涂覆层剥除；2）光纤端而制备；3）光纤端面检验。1、涂覆层剥除在制备光纤头之前，首先要剥除一段光纤的涂覆层（约2030mm长），使光纤的包
2、层（即裸纤）裸露出來。剥除涂覆层的第一种方法是用刀片（如剃须刀片）切削；使光纤头与刀口之间成一小角度，用左手拇指将光纤头压在刀口上，右手拉动光纤即可剥除套塑层。另外一种方法是将光纤头在塑料溶剂（如methylenechloride）中浸泡儿分钟,然后用脱脂棉蘸乙醇/乙瞇混合液将光纤头清洗干净才能进行下一步的光纤处理。第三种方法是使用米勒钳H接去除光纤涂覆层，使光纤的包层（即裸纤）裸露出來。图1-1米勒钳2、光纤头制作1）平而光纤头的制备对丁平面光纤头的基本耍求是，光纤端面应是一个平整的镜面，且须与光纤纤轴垂直。因此，将光纤简单地“一刀两断”是不行的，必须根据光纤的材料与品种选择合适的断面处理技
3、术。对丁石英系光纤，制备平而光纤的常用方法有：加热法、切割法和碾磨法。“加热法”是一种最原始也最简单的方法，同时在一般情形下也是行之有效的，且尤为适合于100/以上宜径的粗光纤。这种方法依据的原理是光纤受局部加热产生的应力突变会使其沿冇径方向解理，从而形成所需镜面。制作时，首先将已剥除套塑层和与涂覆层的裸光纤头在电弧（或其它热源，如酒精灯）下均匀加热，然后迅即用银子（或相当的工具）夹住光纤端部弯曲折断即可。利用这种方法制备光纤头的成功率一般较低，需耍有相当的经验才能获得满意的效果。切割法”乂称“刻痕拉断法”，因为它是利用钻石或金刚石特制的光纤切割刀先在光纤侧表面垂H丁纤轴轻轻刻一小口，然后施加
4、弯曲应力拉动光纤使其折断。利用这种方法制备平而光纤头的成功率一般很高，稍加训练即可获得满意的效果，因此已成为目前最常用的光纤头处理技术。而且技术人员已利用“切割法”的原理制成了“光纤切剥钳”，集剥除与切割于一体，使用十分方便。“研磨法”是一种更为精密的光纤端面制备技术，它不仅可以使光纤端面更为接近丁理想镜而，而且还可以克服“切割法”和“加热法”不易保证光纤端面与纤轴垂氏的遗憾，使光纤端面倾斜降至十儿秒以下。“研磨法”涉及到极为复杂的光学加工技术。3. 光纤头质量的检测光纤微透镜质量的好坏可依据其与LD耦合时损耗的大小來判定。方法是：取一横模特性好的LD芯片作为光源，首先测试其输出光功率，记为然
5、后保持该功率恒定不变（通常应对LD施行温度与功率白动控制）；用微调架光纤微透镜使其与LD芯片对准，在光纤的输出端进行扰模与滤模以剔除包层模与高阶模功率，然后测试光纤输出光功率，并精心调节使其达到最大，记为匕，则光纤的耦合损耗Q为：a=LoMPjPJ（dB）（1-1）a越小则光纤微透镜质量越好。检验平而光纤端面的最胃观的方法是向光纤注入He-Ne光，观察由光纤输出的光斑质量，即可判定光纤端而的质量。一个好的光纤端面，其输出光斑应是对称的圆，边缘清晰且与光纤轴线方向垂虚：如果端面质量不高，则输出光斑就会散射或倾斜。另一种更为精密的方法是利用高倍率显微镜來进行检验。首先正面观察光纤端面，其端面应均匀
6、、无裂痕，圆周轮廓清晰；然后侧面观察光纤并转动光纤，其端部边缘应齐整，无凹陷或尖劈，且边缘与纤轴垂氏。图1-1示出儿种光纤端面缺陷检测图形。（a）为斜而；（b）为端部出现伤痕；（c）为毛刺端面；（d）为凹凸不平端而。图1-2几种端面缺陷检测图形（二）光纤（光缆）的连接光纤线路的传输距离一般都较长，多模光纤系统的中继距离可达数公里至儿十公里，单模光纤系统的中继距离则达数十公里，而每根光纤（光缆）的长度一般只有一公里左右，最长不超过三公里，因此必须将光纤（光缆）连接起來。光纤（光缆）的连接并不像电线（电缆）的连接那么简单，后者只需使两根导线紧密接触即可，其传输特性并不受接头的影响；光纤（光缆）则不
7、同，其接续的质量N接影响光传输性能，既增加光纤的损耗，因此其连接技术远比电线（电缆）复杂得多。光纤（光缆）的连接方式有固定连接与活动连接两种。活动连接所用的“光纤连接器”是一种光无源器件一般多用丁端机上的线路测试和调试。光纤线路上的连接多为固定连接。按照CCITT规定的标准，多模光纤固定连接的平均接头损耗应小于0.10.2dB/个，单模光纤平均接头损耗应小于0.050.IdB/个。在光纤固定连接中照成光纤连接损耗的主要因素有：（1）两光纤纤轴错位；（2）两光纤芯径不同；（3）两光纤数值孔径不同；（4）W光纤因折射率不同而造成的场分布差异；（5）两光纤角向位移；（6）两光纤包层与纤芯不同心造成的
8、纤芯轴错位。图1-3产生连接损耗的各种原因为获得最低的连接损耗，有必耍对待连接的光纤进行参数配对筛选，并在连接过程中进行精心调节，使儿何位移误差减小到最小。光纤（光缆）的固定连接乂分为两种：V型槽（或三棒）连接与电弧熔焊连接，前者多用丁线路现场抢修或实验室临时性固定连接；后者则为正式的固定连接所采用。图1-4示出的V型槽连接的基本结构，它是在平胃的衬基上刻出高精度的V型槽作为光纤对接的基准，槽的儿何尺寸与待连接光纤的包层尺寸相匹配，将已剥去涂覆层并处理好端面的光纤对置放丁-V型槽内并使光纤对的端面相互贴近，然后利用紧剛牛或环氧胶使光纤对的位置固定，即完成了光纤的连接。图1-5示出三棒法连接的结
9、构，它利用三根精密加工的高精度圆柱棒夹持光纤,三根棒与光纤的三条接触线提供了光纤对接的棊准。/（b）图1-4V型槽结构图1-5三棒法结构利用V型槽或三棒机构连接光纤，接头的损耗一般比较高，且性能不稳定。对丁工程应用而言，儿乎所有的正式永久性连接都必须采用熔焊法连接。光纤熔焊连接是在光纤熔机上进行的。（三）光纤熔接1、熔接机组成部分目前常用的光纤熔接机一般包括五个部分：1）程控电源，提供电弧放电所必需的高频高压和照明用的电源，同时也可对光纤熔接过程中的预熔、融熔、续熔三个阶段所需的不同放电电流实行程序控制；2）可移动电极，用以改变加热部位；3）IT动推进V型槽，使光纤在熔接过程中H动贴紧；4）光
10、纤微调架，用以精密调节光纤使其对准；5）带照明显微镜用以观察光纤的对准情形，通常还配一V型反射镜，使其不但可以观察左右方向是否对准，而且可以观察上下方向是否对准，这时向下调节显微镜头可看到两对光纤像，当两对光纤分别对准时即说明光纤的上、下、左、右均已对准，图1-6示出由显微镜观察到的光纤像。（a）未对准（b）对准图1-6光纤的像及对准情况图1-7光纤熔接机2、熔接原则光纤熔接应遵循的原则是：芯数相等时，要同束管内的对应色光纤对接；芯数不同时，按顺序先接芯数大的，再接芯数小的。3、熔接过程（1）制备光纤端面：利用前而介绍的“切割法”对光纤端而进行处理，处理好了的无涂覆层裸光纤长度一般为1520m
11、m,应强调的是，光纤端面处理对于连续质量至关重耍。（2）套上保护用套管（不锈钢管或热缩管）并置丁IT动推进V型槽中，调节光纤使端面紧密接触，保持一定压力（使压力显示灯熄灭），然后将放电电极移到光纤接头处，调节其高度使略低丁光纤对，即可进行放电熔接（可用H动或手动）。如果仅仅是熔接联系实验，可以不用套套管。（3）熔焊完毕，检测确定熔接损耗符合耍求，即可取下光纤，将保护套管移至接头处，涂胶或加热(对丁热缩管)使其固定，以保护光纤接头及去掉涂覆层的部分不受周部应力，并使其与外部空气隔离。电极去预涂层光纤套塑光易毛两盃八(a)对芯(b)放电熔接环氧树脂套塑光纤/毛细貲(c)熔接好(d)加毛细管保护保护
12、套管#保护性硅树脂图1-8光纤熔接的儿个步骤图1-8示出光纤熔接过程的儿个主耍步骤。在实际施工现场，接收光纤的一端是很长的，且处于另一个地点，因此在光纤调节对准时，一般是用光缆中的信号导线讲解收到的光功率数据从接收地送到熔接地。而且，为了提高熔接速度，正越來越多地采用H动对光熔接和光纤阵列熔接。4、实验装置实验装置包括：光纤熔接机及电源；尾纤输出半导体激光器(LD)及电源；光探测器及功率计；刀片及金刚刀；显微镜。实验系统如图19所示。型槽电极调整架尾纤焊接机待焊光纤图1-9光纤耦合与焊接实验系统三、实验原理与步骤1、光纤端面处理，按下列步骤处理LD尾纤及待熔接光纤端而(1) 用刀片(或者米勒钳
13、)剥除光纤套塑层和预涂覆层，使光纤包层裸露出2030cm长;（2）用脱脂棉蘸乙醇乙瞇混合液将光纤头清洗干净；（3）用金刚刀在距光纤端约5cm处垂氏丁纤壁轻刻一小口；（4）对光纤端施加拉力使其折断形成平整端面；（5）在显微镜下观看光纤端面，应为圆周整齐的完整镜面（可以有较小的切口）；若不理想，则应重复步骤（1）（4）各项，直至满意为止。2、光功率测试及光纤调试（1）开启LD电源，调节电流旋至规定的电流值；（2）测试LD尾纤输入功率，记为P.；（3）将LD尾纤置丁熔接机平移V型槽中，将待测光纤置于微调V型槽中,应保持两光纤平（4）开启熔接机电源，向下调节观察显微镜直至看到两对平行光纤像，然后调节微
14、调旋钮，是两对光纤像分别成一虫线则说明两光纤上下左右均基本对准，这时测试待测光纤输出端功率，应有显示；（5）仔细调节微旋旋钮，使待测光纤输出功率为最大，记为Pc,它应接近Ps值;3、光纤熔接（1）调节平移旋钮使两光纤端面紧密接触，并使压力显示灯刚好熄灭；（2）将熔接机放电电极移至两光纤接触点，即可利用动”或“手动”方式电弧放电熔接，同时监测光纤输出功率値，使其最大，记为Px,它应大于巳値，否则说明焊点损耗较大，应重复进行上述13项各步骤，氏至焊点满足耍求为止。4、焊点损耗计算，焊点损耗Q可由下式给出：G=lOlogC%/匕）（dB）（1-2）5、将LD电源缓慢调至零，关熔接机电源，实验结束。四
15、、光纤熔接简易步骤（1）用刀片（或者米勒钳）剥除光纤涂覆层，使光纤包层裸露出23cm长;（2）用脱脂棉蘸乙醇将光纤端面清洗干净；（3）把清洗后的光纤放在光纤切割刀的V型槽中，裸纤搁置在切割刀刀片两侧的黑色托片上，把切割刀表而长方形磁性固定片放下，固定光纤不让其移动,且把刀片拨过來，见下图；图1-10光纤切割刀1（4）放下光纤切割刀的盖子，把刀片推过去，然后按下盖子上的圆柱型按钮，这样完成了裸纤切割，打开熔接机电源，见下图；图1-11光纤切割刀2（5）打开磁性固定片和盖子，把切割好的光纤放置在光纤熔接机的V型槽中，放下光纤熔接机上方盖子，在熔接机液晶显示屏上观察切割效果，如果出现如图1-2中儿种情形则重切；如果端面良好，则重复以上4个步骤再切一根置于光纤熔接机V型槽中，盖上盖子;图1-12光纤置于熔接机V型槽中示意图（6）在图1-7中，按下动”键，则熔接机H动完成熔接，且在屏上显示熔接损耗大小，但是如果光纤端面切割不好，则会显示“光纤端面不良”，这样就得重切光纤；也可以参考图1-7中采用手动完成熔接过程，依次是“清洁”“复位”f“间隙”对芯”“加热”一“熔接”。五、思考题1、光纤的纵向与横向偏差哪种对光纤耦合效率的影响大？
