專利名稱：光子晶體光纖低損耗熔接及端面處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光子晶體光纖后續(xù)處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光子晶體光纖低損耗熔接及端面處理方法。
背景技術(shù)：
光子晶體光纖自1996年問世以來，以其獨(dú)特的性質(zhì)和設(shè)計(jì)自由度，成為光纖領(lǐng)域中的一個(gè)新亮點(diǎn)，有效地拓展了光纖的研究方向和應(yīng)有范疇。該種光纖具有許多傳統(tǒng)光纖所無法比擬的奇異特性，如無限截止單模、色散可控、高非線性、高雙折射行等等，目前廣泛應(yīng)用在光通信、光子晶體光纖激光器、高性能光纖器件領(lǐng)域。但是光子晶體光纖獨(dú)特的“空氣孔-石英”結(jié)構(gòu)也同時(shí)帶來了諸多問題。如未經(jīng)過處理的光纖端面會(huì)吸收外界水分，帶來 OH—吸收損耗，而且這種結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致和普通光纖或器件的熔接集成難度，不能充分發(fā)揮其優(yōu)異特性。所以如何解決這些弊病是光子晶體光纖實(shí)用化發(fā)展的關(guān)鍵問題，也是國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域投入大量研究的急迫任務(wù)。當(dāng)前對于光子晶體光纖國內(nèi)外學(xué)者紛紛對此開展研究工作，并相繼提出多種接續(xù)方法，包括利用電弧熔接機(jī)、CO2激光器進(jìn)行直接熔接、通過透鏡進(jìn)行光耦合以及制作中介光纖進(jìn)行過渡連接等等。其中，透鏡耦合法往往需要精密的光學(xué)配套設(shè)施，而制作中介光纖需要進(jìn)行特殊的加工處理，工藝難度較大。兩種方法均存在系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高的問題，而且往往應(yīng)用場合受限。CO2激光器熔接方法雖然在小孔塌陷問題上有明顯的處理優(yōu)勢，但眾多的研發(fā)機(jī)構(gòu)并不具有CO2激光器熔接設(shè)備，還是不容易推廣。然而使用傳統(tǒng)的商用熔接機(jī)可以進(jìn)行簡單熔接操作，對于環(huán)境的要求也不很苛刻，但是在光子晶體光纖這種有別于普通光纖的處理上，直接熔接還存在許多問題，尤其在模場不匹配上會(huì)引入很大損耗。同時(shí)在光子晶體光纖的使用上，如何保證一個(gè)完整平滑的端面，其中的光纖氣孔不受空氣中水分、 塵埃的污染，避免引入不必要傳輸損耗，保證光纖的優(yōu)異特性，都是要全面考慮的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)問題而提出的一種處理方法，實(shí)現(xiàn)光子晶體光纖之間低損耗熔并且確保兩側(cè)端面易于保存、使用的方法，保證光子晶體光纖優(yōu)異特性存在的前提下如同普通光纖一樣方便實(shí)用。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，包括如下步驟(1)使用光纖切割刀切割光子晶體光纖和另一根與光子晶體光纖待熔接的光纖分別保證其有一個(gè)完好平整的待熔接端面；( 根據(jù)兩根待熔光纖具體參數(shù)，確定其模場直徑是否匹配，對于模場直徑不匹配的，將具有大直徑的光纖施行拉錐處理，使之與另一根待熔光纖模場匹配，降低模場不匹配帶來的損耗；( 把兩根端面處理后的光纖放在光纖熔接機(jī)進(jìn)行熔接；(4)通過熔接損耗測量，把符合要求的熔接后的光子晶體光纖那一側(cè)端面進(jìn)行塌陷處理，熔接后另一端光纖的端面用切割刀處理平整即可，然后兩端使用研磨機(jī)進(jìn)行研磨、拋光獲得平整光滑的實(shí)心端面，其工藝流程參見圖1。
上述步驟( 通常兩種光纖模場差在2μπι以內(nèi)，認(rèn)為完全符合模場匹配要求。上述步驟C3)為了進(jìn)一步降低損耗，通過設(shè)置電流大小、熔接時(shí)間、熔接位置、相距長度等參數(shù)優(yōu)化熔接效果，其中電流適宜小電流多次放電，這樣保證光子晶體光纖空氣孔的坍陷程度可控，熔接時(shí)間視光纖材質(zhì)而定，通常光纖熔點(diǎn)都在2000攝氏度左右熔化， 熔接電極位置要偏向熔點(diǎn)高的光纖一側(cè)，保證光纖都能充分熔化，相距長度依據(jù)在熔接后既能保證一定的連接強(qiáng)度又避免熔接后熔接口發(fā)生形變，引入不必要損耗。最后通過光功率熔接損耗測試裝置檢測篩選符合要求的熔接光纖；其中通過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)放電電流在 10mA-18mA，放電時(shí)間^0ms-340ms，熔接結(jié)果基本一致，損耗偏差都在0. 05dB以內(nèi)符合通常使用要求，實(shí)驗(yàn)得知，追加放電2-3次效果適宜。步驟(4)熔接損耗測量是半導(dǎo)體激光器通過光纖耦合透鏡發(fā)出的耦合激光進(jìn)入拉錐后或不拉錐直接待熔接的光子晶體光纖一端，從另一端射出后進(jìn)入激光功率計(jì)，記下此電流下的激光功率，然后將拉錐熔接的光子晶體光纖換成熔接后的光子晶體光纖，再次記下相應(yīng)電流下的激光功率，對比前后功率變化，從而推到出熔接損耗功率。公式為
P
Ls =101Og^SPi為入射前功率即在拉錐后測試的功率，Po為熔接后從熔接光纖另一端
O
接收功率，光纖熔接損耗Ls，單位是dB。步驟(4)最后把符合要求熔接完畢的光纖兩側(cè)端面進(jìn)行后續(xù)處理。主要是利用光纖熔接機(jī)、光纖研磨機(jī)做處理工具，目的為了更加方便光子晶體光纖的保存和使用。首先使用光纖熔接機(jī)進(jìn)行光纖端面的空氣孔塌陷處理，通過電極放電使光子晶體光纖氣孔收縮， 形成實(shí)心塌陷區(qū)，然后使用不同粗糙度的光纖研磨紙進(jìn)行研磨、拋光，處理過后便獲得了熔接低損耗的方便使用、易于保存的熔接光纖。本發(fā)明一種光子晶體光纖低損耗熔接及端面處理方法的關(guān)鍵點(diǎn)在于，首先把光子晶體光纖待熔接端面進(jìn)行切割處理，然后確定兩根被熔接光纖模場參數(shù)，由于光纖熔接模場不匹配是造成光纖熔接損耗主要因素，兩光纖的模場直徑不匹配引入的損耗，其公式
2 CO ρ Cf ^^ Q TF
a = ~20 1θδ(-^ΤΤΓ) 其中《rcF和COqtf分別表示光子晶體光纖和待于
ωPCF "Γ ajQTF Q )
光子晶體光纖熔接的其他光纖模場直徑。所以使用光纖拉錐機(jī)把大模場的光子晶體光纖模場拉錐變小使其和待與光子晶體光纖熔接的其他光纖模場一致再進(jìn)行熔接。尤其通過設(shè)定熔接機(jī)的電流大小、熔接時(shí)間、電極位置、熔接光纖兩個(gè)端面熔接長度等參數(shù)獲得更低損耗的熔接指標(biāo)。最后把符合要求熔接完畢的光纖兩側(cè)端面進(jìn)行后續(xù)處理。主要是利用光纖熔接機(jī)、光纖研磨機(jī)做處理工具，目的為了更加方便光子晶體光纖的保存和使用。首先使用光纖熔接機(jī)進(jìn)行光纖端面的空氣孔塌陷處理，通過電極放電使光子晶體光纖氣孔收縮，形成縱向長度Imm 1.5mm實(shí)心塌陷區(qū)，然后使用不同粗糙度的光纖研磨紙進(jìn)行研磨、拋光，處理過后便獲得了熔接低損耗的方便使用、易于保存的熔接光纖。本發(fā)明有如下特點(diǎn)1、本發(fā)明對于熔接的光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)沒有特殊要求，因?yàn)榭梢赃M(jìn)行拉錐處理，改變光子晶體光纖模場大小，實(shí)現(xiàn)對接光纖的模場匹配，可以適合光子晶體光纖之間、以及光子晶體光纖與普通光纖之間的低損耗熔接。
2、在光纖熔接和端面塌陷處理過程中，可以通過實(shí)驗(yàn)和光纖參數(shù)的特點(diǎn)，設(shè)置不同的熔接電流、熔接時(shí)間、保證光纖空氣孔的塌陷程度，降低導(dǎo)光損耗，同時(shí)增加熔接區(qū)域連接強(qiáng)度。3、光子晶體光纖端面塌陷處理后，使用光纖研磨機(jī)對端面研磨、拋光能保證光纖在應(yīng)用中易于保存，并保持光子晶體光纖的優(yōu)異特性，同時(shí)優(yōu)異的端面質(zhì)量可以減少光耦合損耗，為制作其他光纖元件奠定基礎(chǔ)。


圖1本發(fā)明的流程示意圖A為光子晶體光纖拉錐示意圖、B為帶尾纖的976nm半導(dǎo)體激光通過光纖耦合透鏡組耦合入拉錐后光子晶體光纖的功率測試示意圖、C為光子晶體光纖和待熔光纖熔接示意圖、D為帶尾纖的976nm半導(dǎo)體激光通過光纖耦合透鏡組耦合入熔接后的光纖功率測試示意圖、E為熔接后的光子晶體光纖端面坍陷示意圖；1為半導(dǎo)體激光器，2光纖耦合透鏡組，3光子晶體光纖，4光纖拉錐機(jī)，5光纖熔接機(jī)，6其他光纖，7激光功率計(jì)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明光子晶體光纖低損耗熔接及端面處理方法做出詳細(xì)說明，其工藝流程見圖1.第一步，待熔接的光纖材料為其中光子晶體光纖模場直徑^ym@976nm、另一根普通單模光纖模場直徑是9. 5 μ m。利用公式(1)計(jì)算出常規(guī)熔接時(shí)的損耗值為4. 56dB。上述待熔接的兩根光纖用光纖切割刀把端面切割平整，根據(jù)待熔接的光纖模場參數(shù)差別，使用光纖拉錐機(jī)4進(jìn)行光子晶體光纖3拉錐處理改變其模場直徑，拉錐后在10 μ m 左右。并按照流程圖中的(1)把帶尾纖的976nm半導(dǎo)體激光器1激光通過光纖耦合透鏡組 2準(zhǔn)直聚焦到拉錐后的光子晶體光纖3中，在光纖的另一端使用激光功率計(jì)7接收976nm激光并記下數(shù)值。測試出半導(dǎo)體激光在電流IOA時(shí)激光功率示數(shù)為1. 25W。第二步，把拉錐處理后的光子晶體光纖3 —端放入光纖熔接機(jī)5壓纖V槽一側(cè)再把待與光子晶體光纖熔接的其他光纖6放入壓纖V槽另一側(cè)熔接。在光子晶體光纖熔接過程中，為了避免或減低空氣孔的塌縮通常選擇小的放電電流和段的放電時(shí)間，然而這個(gè)合適的能量又應(yīng)該保證光子晶體光纖和普通光纖熔接后具有一定強(qiáng)度，不至于很容易斷裂， 就要不斷優(yōu)化這兩個(gè)參數(shù)。在光子晶體光纖和普通光纖熔接的實(shí)驗(yàn)中，由于光子晶體光纖的融化溫度低于普通光纖，所以光纖熔接機(jī)的放電電極空間位置也是非常重要的，電極位置應(yīng)設(shè)置在偏向普通光纖一側(cè)，其目的是這樣可以使光子晶體光纖相對于普通光纖獲得少量能量，很好的控制光子晶體光纖的空氣孔的塌陷；同時(shí)又可以保證普通光纖充分獲得能量，更好的達(dá)到熔融狀態(tài)增加熔接強(qiáng)度。熔接機(jī)設(shè)定的放電電流為12mA，放電時(shí)間300ms， 電極位置是中間位置偏向普通光纖4μπι。影響光纖熔接質(zhì)量的另一個(gè)重要參數(shù)是光纖的熔接長度，如果光纖熔接機(jī)兩端的光纖在熔接過程中的熔接長度過小，會(huì)導(dǎo)致光纖熔接點(diǎn)比較脆，也就是熔接強(qiáng)度過低，更有可能就是根本熔接不上，但是也不能有過大的熔接長度，這樣會(huì)使兩測光纖在熔接時(shí)隨著熔接機(jī)的步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)過度擠壓變形，發(fā)生熔接點(diǎn)彎曲， 這樣會(huì)引入很大的損耗。通過模場分析選擇熔接長度2 μ m。這些主要的熔接參數(shù)外，重復(fù)放電電流和放電時(shí)間的合理選擇也對熔接強(qiáng)度加強(qiáng)和低損耗熔接是有益的。本實(shí)施例中選擇放電2次，進(jìn)一步加強(qiáng)熔接強(qiáng)度。熔接完畢后把帶尾纖的976nm半導(dǎo)體激光器1激光通過光纖耦合透鏡組2準(zhǔn)直聚焦到熔接后的光子晶體光纖中，此時(shí)半導(dǎo)體激光器輸出功率在和熔接前一致的狀態(tài)下， 976nm激光透過光子晶體光纖和普通光纖熔接后的整體光纖從普通光纖另一端面輸出，使用激光功率計(jì)7接收讀取功率數(shù)值為1. 19W，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)開始時(shí)的功率數(shù)值理論計(jì)算即得出熔接點(diǎn)損耗0. 21dB，其中由于熔接光纖的長度不是很長，所以普通光纖的對976nm激光吸收損耗非常小而被忽略，主要損耗源于熔接點(diǎn)損耗。然后通過光功率裝置測試熔接光纖損耗，并理論計(jì)算出幾次實(shí)驗(yàn)損耗值通常都小于0. 3dB。最后，把符合要求的熔接光纖，光子晶體光纖一端端面進(jìn)行氣孔塌陷，在使用光纖熔接機(jī)5進(jìn)行塌陷處理時(shí)，電流數(shù)值應(yīng)略大于光纖熔接時(shí)電流，預(yù)熔時(shí)間應(yīng)大于熔接操作情況的參數(shù)設(shè)定。只有這樣才能使光子晶體光纖空氣孔充分塌陷封閉，實(shí)驗(yàn)中熔接電流為 16mA，熔接時(shí)間為450ms，光纖塌陷長度在Imm左右。然后再通過光纖研磨機(jī)對塌陷后實(shí)心光子晶體光纖端面進(jìn)行研磨處理，分別使用粗糙度系數(shù)為9、3、1、0. 5的金剛石研磨紙和拋光絨布，設(shè)定研磨紙轉(zhuǎn)速是35轉(zhuǎn)/分鐘并以水為研磨介質(zhì)研磨，拋光絨布分為70轉(zhuǎn)/分、 60轉(zhuǎn)/分拋磨各三分鐘，50轉(zhuǎn)/分拋磨一分鐘以二氧化硅拋光液為研磨介質(zhì)，上述所有狀態(tài)研磨情況可以在光學(xué)顯微鏡上觀察，并及時(shí)作出矯正，最后獲得平整光滑的光纖端面。這樣的好處是一可以保證光子晶體光纖端面的空氣孔不受外界環(huán)境灰塵、水分的污染，避免上述原因帶來的光纖傳輸損耗，二來可以憑借光纖優(yōu)異質(zhì)量的端面，制作不同的光纖器件， 抗環(huán)境能力強(qiáng)，方便靈活。
權(quán)利要求
1.光子晶體光纖低損耗熔接及端面處理方法，其特征在于，包括如下步驟(1)使用光纖切割刀切割光子晶體光纖和另一根與光子晶體光纖待熔接的光纖；(2) 根據(jù)兩根光纖具體參數(shù)，對于模場直徑不匹配的，將具有大直徑的光纖施行拉錐處理，使之與另一根待熔光纖模場匹配；C3)把兩根端面處理后的光纖放在光纖熔接機(jī)進(jìn)行熔接；(4) 通過熔接損耗測量，把符合要求的熔接后的光子晶體光纖那一側(cè)端面進(jìn)行塌陷處理，熔接后另一端光纖的端面用切割刀處理平整，然后兩端使用研磨機(jī)進(jìn)行研磨、拋光獲得平整光滑的實(shí)心端面。
2.按照權(quán)利要1的方法，其特征在于，步驟(2)兩種光纖模場差在2μπι以內(nèi)。
3.按照權(quán)利要1的方法，其特征在于，步驟(3)進(jìn)行熔接時(shí)，放電電流1OmA-18mA,放電時(shí)間280ms-340ms，熔接電極位置偏向熔點(diǎn)高的光纖一側(cè)，放電2_3次。
4.按照權(quán)利要1的方法，其特征在于，步驟(4)進(jìn)行塌陷處理，首先使用光纖熔接機(jī)進(jìn)行光纖端面的空氣孔塌陷處理，通過電極放電使光子晶體光纖氣孔收縮，形成實(shí)心塌陷區(qū)， 然后使用光纖研磨機(jī)進(jìn)行研磨、拋光。
全文摘要
本發(fā)明公開了光子晶體光纖低損耗熔接及端面處理方法，屬于光子晶體光纖后續(xù)處理技術(shù)領(lǐng)域。步驟為使用光纖切割刀切割光子晶體光纖和另一根與光子晶體光纖待熔接的光纖；根據(jù)兩根光纖具體參數(shù)，對于模場直徑不匹配的，將具有大直徑的光纖施行拉錐處理，使之與另一根待熔光纖模場匹配；把兩根端面處理后的光纖放在光纖熔接機(jī)進(jìn)行熔接；通過熔接損耗測量，把符合要求的熔接后的光子晶體光纖那一側(cè)端面進(jìn)行塌陷處理，熔接后另一端光纖的端面用切割刀處理平整，然后兩端使用研磨機(jī)進(jìn)行研磨、拋光獲得平整光滑的實(shí)心端面。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)對接光纖的模場匹配，可以適合光子晶體光纖之間、以及光子晶體光纖與普通光纖之間的低損耗熔接。
文檔編號G02B6/25GK102169209SQ20111013146
公開日2011年8月31日 申請日期2011年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月19日
發(fā)明者劉志, 張雪霞, 李平雪, 池俊杰 申請人:北京工業(yè)大學(xué)