光纖端面處理對(duì)光纖激光器地影響97402

1、光纖端面處理對(duì)光纖激光器地影響1、前言光纖是圓柱形介質(zhì)波導(dǎo)由纖芯、包層和涂敷層3部分組成，一般單模和多模光纖的纖芯直徑分別為5～15μm和40～100μm，包層直徑大約為125~600μm。經(jīng)過(guò)處理的光纖端面，理想狀態(tài)是一個(gè)光滑平面。但實(shí)際中，光纖端面的加工往往不能達(dá)到理想狀態(tài)，例如拋光不理想、有劃痕、表面或邊緣破碎損傷等等，都將使端面情況復(fù)雜化。對(duì)于光纖與激光器中其它元件的耦合以及光纖之間的熔接來(lái)說(shuō)，要求光纖端部必須有光滑平整的表面，

2、否則會(huì)增大損耗。本文分類(lèi)介紹了光纖損耗產(chǎn)生的原因，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了光纖端面質(zhì)量對(duì)光纖激光器輸出功率的影響，研究了光纖端面處理工藝流程，分析了光纖端面的切割和研磨方法，對(duì)光纖熔接過(guò)程提出了具體要求，為同類(lèi)激光器的研制提供了參考依據(jù)。2、光纖損耗種類(lèi)2.1光纖本征損耗光纖本征損耗即光纖固有損耗，主要由于光纖機(jī)基質(zhì)材料石英玻璃本身缺陷和含有金屬過(guò)渡雜質(zhì)和OH，使光在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生散射、吸收和色散，一般可分為散射損耗，吸收損耗和色散損耗。其中散射

3、損耗是由于材料中原子密度的漲落，在冷凝過(guò)程中造成密度不均勻以及密度漲落造成濃度不均勻而產(chǎn)生的。吸收損耗是由于纖芯含有金屬過(guò)渡雜質(zhì)和OH吸收光，特別是在紅外和紫外光譜區(qū)玻璃存在固有吸收。光纖色散按照產(chǎn)生的原因可分為三類(lèi)，即材料色散、波導(dǎo)色散和模間色散。其中單模光纖是以基模傳輸，故沒(méi)有模間色散。在單模光纖本征因素中，對(duì)連接損耗影響最大的是模場(chǎng)直徑。單模光纖本征因素引起的連接損耗大約為0.014dB，當(dāng)模場(chǎng)直徑失配20%時(shí)，將產(chǎn)生0.2dB的

4、連接損耗[1]。多模光纖的歸一化頻率V2.404，有多個(gè)波導(dǎo)模式傳輸，V值越大，模式越多，除了材料色散和波導(dǎo)色散，還有模間色散，一般模間色散占主要地位。所謂模間色散，是指光纖不同模式在同一頻率下的相位常數(shù)β不同，因此群速度不同而引起的色散。此外，光纖幾何參數(shù)如光纖芯徑、包層外徑、芯包層同心度、不圓度，光學(xué)參數(shù)如相對(duì)折射率、最大理論數(shù)值孔徑等，只要一項(xiàng)或多項(xiàng)失配，都將產(chǎn)生不同程度的本征損耗。2.2光纖附加損耗光纖的附加損耗一般由輻射損耗和

5、應(yīng)用損耗構(gòu)成。其中輻射損耗是由于光纖拉制工藝、光纖直徑、橢圓度的波動(dòng)、套塑層溫度變化的脹縮和涂層低溫收縮導(dǎo)致光纖微彎所致；應(yīng)用損耗是由于光纖的張力、彎曲、擠壓造成的宏彎和微彎所引起的損耗。3、實(shí)驗(yàn)裝置與結(jié)果摻Er3光纖環(huán)形腔激光器實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，泵浦光由波長(zhǎng)980nmLD尾纖輸出，經(jīng)波分復(fù)用器（WDM）耦合進(jìn)入環(huán)形光纖諧振腔，經(jīng)過(guò)耦合器分光后輸出激光。其中光纖光柵中心波長(zhǎng)為1546.3nm，摻Er3光纖長(zhǎng)度為3m，摻雜濃度為400p

6、pm，隔離器工作波長(zhǎng)范圍為1535~1565nm，各元件插入損耗均為0.4dB，經(jīng)上述裝置輸出功率與輸入功率的關(guān)系曲線如圖2所示，最大輸出功率可達(dá)16.9mW。但由于光纖激光器各個(gè)部件之間均熔接在一起，插入損耗和熔接損耗對(duì)整個(gè)系統(tǒng)具有非常大的影響。在熔接質(zhì)量比較好的情況下，總體光光效率可達(dá)5.3%，在光纖焊接較差的情況下，焊點(diǎn)漏光嚴(yán)重，用轉(zhuǎn)換片可以看到明顯的泵浦光泄露，嚴(yán)重影響總體光光效率，二者功率相差23%左右。因此如何降低腔內(nèi)熔接損

7、耗是影響激光器輸出功率的關(guān)鍵因素。4、光纖端面處理光纖端面處理也稱(chēng)為端面制備，是光纖技術(shù)中的關(guān)鍵工序，主要包括剝覆、清潔和切割三個(gè)環(huán)節(jié)。端面質(zhì)量直接影響光纖激光器的泵浦光耦合效率和激光輸出功率。4.1光纖涂覆層的剝除去除光纖涂覆層是光纖端面處理的第一步?？梢杂脛兙€鉗和刀片兩種方法進(jìn)行剝除。當(dāng)采用熔接機(jī)器開(kāi)始熔接時(shí)，首先將左右兩側(cè)Ｖ型槽中光纖相向推進(jìn)，在推進(jìn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一次短暫放電，其作用是清潔光纖端面灰塵，接著會(huì)把光纖繼續(xù)推進(jìn)，直至光纖

8、間隙處在原先所設(shè)置的位置上，這時(shí)熔接機(jī)測(cè)量切割角度，并把光纖端面附近的放大圖像顯示在屏幕上，如果出現(xiàn)圖4所示的圖像就要重做。纖芯包層對(duì)準(zhǔn)與端面制作一樣直接影響熔接損耗，熔接機(jī)會(huì)在Ｘ軸Ｙ軸方向上同時(shí)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，并且把軸向、軸心偏差參數(shù)顯示在屏幕上如果誤差在允許范圍之內(nèi)就開(kāi)始熔接。觀察熔接結(jié)果熔接過(guò)后機(jī)器會(huì)自動(dòng)評(píng)估，并顯示當(dāng)前熔接損耗，由于是估計(jì)值，鼓顯示在0.3dB以上就必須重新制端面。在熔接過(guò)后，還要進(jìn)一步觀察光纖熔接形狀，如果出現(xiàn)如圖5

9、所示情況，必須調(diào)整機(jī)器設(shè)置，重新制作光纖端面后進(jìn)行熔接，其具體實(shí)施方式如表1所示。熔接過(guò)程中還應(yīng)及時(shí)清潔熔接機(jī)Ｖ形槽、電極、物鏡和熔接室，隨時(shí)觀察熔接中有無(wú)氣泡、過(guò)細(xì)、過(guò)粗、虛熔、分離等不良現(xiàn)象，可采用OTDR跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果，及時(shí)分析產(chǎn)生上述不良現(xiàn)象的原因，采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。如果多次出現(xiàn)虛熔現(xiàn)象，應(yīng)檢查熔接的兩根光纖的材料、型號(hào)是否匹配，切刀和熔接機(jī)是否被灰塵污染，并檢查電極氧化狀況，若均無(wú)問(wèn)題，則應(yīng)適當(dāng)提高熔接電流。由于光纖在連接時(shí)去

10、掉了接頭部位的涂覆層其機(jī)械強(qiáng)度降低，因此要對(duì)接頭部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)保護(hù)，可采用光纖熱縮保護(hù)管（熱縮管）保護(hù)光纖接頭部位。熱縮管應(yīng)在剝覆前穿入，嚴(yán)禁在端面制備后穿入。將預(yù)先穿置光纖某一端的熱縮管移至光纖接頭處，使熔接點(diǎn)位于熱縮管中間，輕輕拉直光纖接頭，放入加熱器內(nèi)加熱，醋酸乙烯內(nèi)管熔化，聚乙烯管收縮后緊套在接續(xù)好的光纖上，由于此管內(nèi)有一根不銹鋼棒，不僅增加了抗拉強(qiáng)度（承受拉力為1000～2300g），同時(shí)也避免了因聚乙烯管的收縮而可能引起接續(xù)部

11、位的微彎。7、盤(pán)纖盤(pán)纖是一門(mén)技術(shù)，科學(xué)的盤(pán)纖方法可使光纖布局合理、附加損耗小、經(jīng)得住時(shí)間和惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，可避免擠壓造成斷纖。盤(pán)纖方法有很多，可以從一側(cè)的光纖盤(pán)起，固定熱縮管，然后再處理另一側(cè)余纖，該方法可根據(jù)一側(cè)余纖長(zhǎng)度靈活選擇熱縮管安放位置，方便、快捷，可避免出現(xiàn)急彎、小圈現(xiàn)象；也可以先將熱縮套管逐個(gè)放置于固定槽中，然后再處理兩側(cè)余纖，該方法有利于保護(hù)光纖接點(diǎn)，避免盤(pán)纖可能造成的損害，在光纖預(yù)留盤(pán)空間較小，光纖不易盤(pán)繞和固定時(shí)，常用

12、此種方法；當(dāng)個(gè)別光纖過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短時(shí)，可將其放在最后單獨(dú)盤(pán)繞；帶有特殊光器件時(shí)，可將其單獨(dú)盤(pán)繞處理，若與普通光纖共盤(pán)時(shí)，應(yīng)將其輕置于普通光纖之上，兩者之間加緩沖襯墊，以防擠壓造成斷纖，且特殊光器件尾纖不可太長(zhǎng)。根據(jù)實(shí)際情況，可采用采用圓、橢圓、“∝”等多種圖形盤(pán)纖，按余纖長(zhǎng)度和預(yù)留盤(pán)空間大小，順勢(shì)自然盤(pán)繞，切勿生拉硬拽，盡可能最大限度利用預(yù)留盤(pán)空間，有效降低因盤(pán)纖帶來(lái)的附加損耗。8、光纖熔接點(diǎn)損耗的測(cè)量光纖熔接點(diǎn)損耗的測(cè)量是度量光纖接頭質(zhì)量

13、的重要指標(biāo)，使用光時(shí)域反射儀（OTDR）或熔接接頭的損耗評(píng)估方案等測(cè)量方法可以確定光纖接頭的光損耗。OTDR的原理是：由于光纖的模場(chǎng)直徑影響其后向散射，因此在接頭兩邊的光纖可能會(huì)產(chǎn)生不同的后向散射，從而遮蔽接頭的真實(shí)損耗。如果從兩個(gè)方向測(cè)量接頭的損耗，并求出這兩個(gè)結(jié)果的平均值，便可消除單向OTDR測(cè)量的人為因素誤差。加強(qiáng)OTDR的監(jiān)測(cè)，對(duì)確保光纖熔接質(zhì)量，減少因盤(pán)纖帶來(lái)的附加損耗和封裝可能對(duì)光纖造成的損耗，具有十分重要的意義。在整個(gè)接續(xù)