专利名称：光子晶体光纤的熔接装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种光子晶体光纤熔接技术领域，特别是涉及一种光子晶 体光纤的熔接装置及其方法。
技术背景光子晶体光纤于1996年在英国问世，该种光纤具有很多普通光纤所没 有的奇异特性，如高非线性、色散可控性、高双折射性、无限单模特性等 等，能广泛地用于通信、成像、光谱学和生物医学等领域，它的性能研究 和应用开发一直是国际光电子行业的热点。而光子晶体光纤熔接技术还不 成熟，尚处于探索性研究阶段，已经成为光子晶体光纤应用开发中必须解 决的实际问题。现有的普通光纤熔接机和保偏光纤熔接机均不能高质量自动完成光子 晶体光纤的熔接，存在的主要问题有1、很容易在熔接时造成光子晶体光 纤包层空气孔的塌陷；2、熔接大孔径光纤时容易产生气泡；3、无法实现 准确的熔接能量的控制。目前也有使用二氧化碳激光器熔接光子晶体光纤的研究，此种方法具 有能够精确控制激光光束的中心位置及激光功率、不在熔接部分留下任何 残余物等优点，可以减少光纤包层空气孔的坍塌，降低熔接损耗，但此种 方法的研究仅针对某种特定的光纤进行实验研究，并且不能对光子晶体光 纤径向不同位置的能量分布进行控制，在熔接过程中很难控制包层空气孔 的坍塌程度。发明内容为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种光子晶体光纤的 熔接装置及其方法，该发明能够实现光子晶体光纤熔接过程的能量控制， 从而控制光纤包层空气孔的坍塌，高质量完成光子晶体光纤与常规光纤之 间和光子晶体光纤与光子晶体光纤之间的熔接。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是这种光子晶体光纤的熔接装置及其方法，包括光子晶体光纤的熔接装置及其熔接方法两部分所述光子晶体光纤的熔接装置，包括调制二氧化碳激光器单元8、三维 运动V型槽装置(2， 5)、应力传感器解调单元11、三维对准控制器及夹 具控制单元10和处理控制单元9。该装置的处理控制单元9和调制二氧化 碳激光器单元8的频率控制器、应力传感器解调单元ll、三维对准控制器 及夹具控制单元10连接，以实现对上述单元的控制和应力信息的获取。三 维运动V型槽装置(2， 5)的机械传动机构与三维对准控制器及夹具控制 单元10的三维对准控制器连接，处理控制单元9通过对三维准控制器对其 进行控制，实现光纤的对准。处理控制单元9通过三维对准控制器及夹具 控制单元10的夹具控制单元控制光纤夹具，对光纤进行夹持，下、上应力 传感器(1、 7)实时感应夹持力的大小，下、上应力传感器(1、 7)和应 力传感器解调单元11相连，将力的大小反馈给处理控制单元9进行进一步 夹持力的调整，以此闭环完成夹持力大小的控制。调制二氧化碳激光器单 元8通过传能光纤16将激光传送到待熔光纤处4。该装置通过三维运动装 置实现待熔光纤的三维控制，通过调制控制器实现激光器的调制，从而控 制激光器的能量、波长及熔接时间，以实现不同规格光子晶体光纤熔接过 程中能量、波长和熔接时间的分配，控制熔接过程中光子晶体光纤包层空 气孔的塌陷程度，实现低损耗熔接。所述光子晶体光纤的熔接方法是将熔接的下、上光子晶体光纤(3， 6)夹持在所述熔接装置的三维运动V型槽装置(2， 5)的V型槽光纤夹 具内。之后，通过三维显微成像装置获取熔接前光子晶体光纤端面结构信 息，所述端面结构信息包括纤芯的大小及形状、包层空气孔的大小、空气 孔间距和空气孔层数，以此结构信息选择熔接参数，所述熔接参数包括调 制频率、激光器波长、激光功率、熔接时间和熔接次数等。利用获取的光 子晶体光纤端面结构信息确定其最大承受力，然后调整V型槽光纤夹具的 夹持力大小，使其既能很到的被夹持住，又不破坏光纤包层空气孔的结构。 光子晶体光纤被夹持好后，对两个待熔光纤进行三维对准；对准后再根据 获取的光纤端面结构信息确定其熔接所需能量大小、熔接时间、调制器的 调制频率等参数，用设定好输出频率的调制器去调制二氧化碳激光器，通过一分三光耦合器15使二氧化碳激光器14输出被分成三束相同的激光束， 通过传能光纤16把光传输到光纤输出点4对被熔光纤3进行熔接。所述调制控制器13利用集成电路FPGA XC3S500E完成，产生不同频 率的调制信号、控制激光的输出功率。所述光耦合器15用于完成激光器和传能光纤之间光的耦合。激光器输 出的光通过光耦合器15中的光学器件调整成能量分布均匀的平行激光束， 将3根传能光纤16均匀排列在平行激光束内，使激光均匀的耦合到传能光 纤16内。所述处理控制单元9由SEED-Davinci数字平台构成，该平台集成了双 核ARM9+DM64X，具有数字图像处理功能和实时控制能力等特点，智能 控制和计算分析都由其完成。本发明的有益效果是采用二氧化碳激光器作为熔接能源，可以避免 在熔接部分留下任何污染和残留物，避免被熔接光纤变脆，还可以精确控 制其光束形状和中心位置及输出功率；采用调制控制器调制二氧化碳激光 器，可以通过改变调制频率实现能量在待熔光纤中的分布；采用三维显微 成像系统获取待熔光纤的端面信息，根据端面结构参量的不同选用不同的 熔接数学模型，从而选择合适的熔接功率、调制频率和烙接时间等参数； 可以最大程度上控制光纤包层空气的坍塌，使熔接损耗最小。本发明的结 构简单，抗振动干扰能力强，灵敏度高，制造容易，适用于同类型光子晶 体光纤和不同类型光子晶体光纤之间的熔接。
图1是光子晶体光纤的熔接装置的结构示意图；图2是V型槽结构示意图；图3是调制激光器结构示意图；图4是光子晶体光纤端面几何结构示意图。在上述附图中，l.下应力传感器，2.下三维运动V型槽装置，3.下光子 晶体光纤，4.传能光纤输出点，5.上三维运动V型槽装置，6.上光子晶体光 纤，7.上应力传感器，8.调制二氧化碳激光器单元，9.处理控制单元，10.三 维对准控制器及夹具控制单元，ll.应力传感器解调单元，12.光纤夹具，13.频率控制器，14.二氧化碳激光器，15.光耦合器，16.传能光纤，17.纤芯中 心至空气孔层的半径，18.纤芯中心，19.光纤外包层，20.光纤空气孔层，21. 纤芯中心至外包层的半径，22.纤芯半径。
具体实施方式
实施例1. 熔接的下、上光子晶体光纤(3， 6)规格是模场半径为7.5pm，纤 芯直径为10.9 pm，孔间距为3 jLim，空气孔直径为2 pm，空气孔层数为6 层。将熔接的下、上光子晶体光纤(3， 6)安装在下、上三维运动V型槽 装置(2、 5)上。2. 根据下、上光子晶体光纤(3， 6)的结构参数通过下、上应力传感器 (1、 7)、应力传感器解调单元ll、三维对准控制器及夹具控制单元10的夹具控制单元的反馈控制自动调整光纤夹具12对下、上光子晶体光纤(3， 6)的夹持力，此种光子晶体光纤所能承受的最大压力为0.(WNAim，实施例 中使用的夹持力为0.05NAim ，即可避免光子晶体光纤在夹持过程中被破坏， 同时又可保证下、上光子晶体光纤(3， 6)能够在三维空间内相对运动。3. 在处理控制单元9的处理下实现下、上光子晶体光纤(3， 6)的三维 对准，通过对下、上光子晶体光纤(3， 6)的端面结构进行分析(见图4)， 根据光子晶体光纤纤芯、包层空气孔、外包层的半径及包层空气孔大小、 层数、孔间距这些参数得到熔接的下、上光子晶体光纤(3， 6)所需的激 光束、能量、调制频率等参数，对于本实施例中光子晶体光纤，需施加的 激光功率为IOW，调制频率根据每次熔接时间的不同而在50~100Hz之间 变化，光束直径大约为500 600 pm，通过处理控制单元9控制调制二氧化 碳激光器单元8对下、上光子晶体光纤(3， 6)进行熔接。用设定好输出 频率的频率控制器13去调制二氧化碳激光器14，通过一分三光耦合器15 使二氧化碳激光器14输出被分成三束相同的激光束，在通过传能光纤16 把光传输到三个光纤输出点4进行熔接，三个光纤输出点4分布夹角为120°(见图3)。调制二氧化碳激光器单元8通过改变频率控制器13的调制频率 就可以控制激光器输出能量在下、上光子晶体光纤(3, 6)中的能量传递， 使光子晶体光纤纤芯和外包层的温度比空气孔层的温度高一些，同时也能控制空气孔层的温度分布时间，从而控制熔接光子晶体光纤时空气孔形变 程度。4.选择参数后，开始对光纤进行熔接，首先使用调制频率为50Hz的光 束直接持续照射ls，清除光纤上的杂质颗粒；然后使用调制频率为80Hz 的光束照射3次，每次时间为2s;最后再用调制频率为50Hz的光束持续照 射ls，清除熔接后的杂质，最后测得的熔接损耗为0.05dB。激光功率不变，束流大小不变，将激光的调制频率改为150Hz，对同 一光纤进行熔接，仍然使用调制频率为50Hz的光束直接持续照射ls，清除 光纤上的杂质颗粒。再使用调制频率为150Hz的光束照射3次，每次时间为2s;最后再用 调制频率为50Hz的光束持续照射ls，清除熔接后的杂质，最后测得的熔接 损耗为1.5dB，熔接损耗较大，通过观察熔接点的图像此次熔接致使包层空 气孔有很大程度的塌陷，这是造成此次熔接损耗过大的主要原因。
权利要求
1.一种光子晶体光纤的熔接装置，其特征是处理控制单元(9)和调制二氧化碳激光器单元(8)的频率控制器(13)、应力传感器解调单元(11)、三维对准控制器及夹具控制单元(10)连接；下、上三维运动V型槽装置(2，5)的机械传动机构与三维对准控制器及夹具控制单元(10)的三维对准控制器连接，处理控制单元(9)与三维对准控制器及夹具控制单元(10)的三维对准控制器连接，实现光纤的对准；处理控制单元(9)通过三维对准控制器及夹具控制单元(10)的夹具控制单元控制光纤夹具，对光纤进行夹持；处理控制单元(9)与应力传感器解调单元(11)连接，应力传感器解调单元(11)和下、上应力传感器(1，7)连接；调制二氧化碳激光器单元(8)通过传能光纤(16)将激光传送到光纤输出点(4)对被熔光纤(3)进行熔接。
2. 根据权利要求1所述的光子晶体光纤的熔接装置，其特征是下、上 三维运动V型槽装置(2， 5)机械传动机构引出的信号线连接三维对准控 制器及夹具控制单元(10)的三维对准控制器。
3. 根据权利要求2所述的光子晶体光纤的熔接装置，其特征是下、上 三维运动V型槽装置(2， 5)的V型槽(2)装有应力传感器(3)和光纤 夹板(12)，下、上光子晶体光纤(3， 6)分别夹持在下、上三维运动V型 槽装置(2， 5)中0
4. 根据权利要求1所述的光子晶体光纤的熔接装置，其特征是调制二 氧化碳激光器单元(8)由频率控制器(13)、 二氧化碳激光器(14)、光耦 合器(15)和传能光纤(16)组成， 一分三光耦合器(15)使二氧化碳激 光器输出被分成三束相同的激光由传能光纤(16)传输到三个光纤输出点(4)，三个光纤输出点(4)分布夹角为120° 。
5. —种权利要求1所述的光子晶体光纤的熔接装置的熔接方法，其特征 是所述方法包括以下步骤1) 将熔接的下、上光子晶体光纤(3， 6)夹持在所述熔接装置的下、 上三维运动V型槽装置(2， 5)的V型槽光纤夹具内；2) 三维显微成像装置获取熔接前光子晶体光纤端面的结构信息，以此结构信息选择熔接参数；3) 利用光子晶体光纤的端面结构信息确定其最大承受力，然后调整下、 上三维运动V型槽装置(2， 5)的V型槽光纤夹具(12)的夹持力大小， 使其既能很到的被夹持住，又不破坏光纤包层空气孔的结构；4) 光子晶体光纤被夹持好后，对两个待熔光纤进行三维对准；5) 对准后再根据获取的光纤端面结构信息确定其熔接所需能量大小、 熔接时间、调制器的调制频率参数；6) 用设定好输出频率的频率控制器(13)去调制二氧化碳激光器(14)， 通过一分三光耦合器(15)使二氧化碳激光器输出被分成三束相同的激光， 通过传能光纤把光传输到被熔光纤处进行熔接。
6. 根据权利要求5所述的调制型光子晶体光纤的熔接方法，其特征是 所述光子晶体光纤端面结构信息包括纤芯的大小及形状、包层空气孔的大 小、空气孔间距和空气孔层数；以此结构信息选择熔接参数，所述熔接参 数包括调制频率、激光器波长、激光功率和熔接时间和熔接次数。
7. 根据权利要求5所述的调制型光子晶体光纤的熔接方法，其特征是-根据下光子晶体光纤(3)和上光子晶体光纤(6)的结构参数通过下、上 应力传感器(1， 7)、应力传感器解调系统(11)、三维对准控制器及夹具 控制单元(10)的夹具控制单元的反馈控制自动调整光纤夹具(12)对下、 上光子晶体光纤(3， 6)的夹持力，使其既能很到的被夹持住，又不破坏 光纤包层空气孔的结构，同时又可保证下、上光子晶体光纤(3， 6)能够 在三维空间内相对运动。
8. 根据权利要求5所述的调制型光子晶体光纤的熔接方法，其特征是 在处理控制单元(9)的处理之下，对下、上光子晶体光纤(3， 6)的进行 三维对准，对准后通过对下、上光子晶体光纤(3， 6)的结构进行分析得 到熔接对下、上光子晶体光纤(3, 6)所需的激光束、能量和调制频率参 数。
全文摘要
本发明公开一种光子晶体光纤的熔接装置及其方法。所述熔接装置的处理控制单元(9)和调制二氧化碳激光器单元(8)的频率控制器(13)、应力传感器解调单元(11)、三维对准控制器及夹具控制单元(10)连接；下、上三维运动V型槽装置(2，5)的机械传动机构与三维对准控制器及夹具控制单元(10)的三维对准控制器连接；调制二氧化碳激光器单元(8)通过传能光纤(16)将激光传送到光纤输出点(4)对被熔光纤(3)进行熔接。所述方法的步骤1)以光纤结构信息选择熔接参数；2)利用光纤结构信息调整V型槽夹具的夹持力；3)对两个待熔光纤进行三维对准；4)用设定频率的频率调制器调制二氧化碳激光器，使激光通过传能光纤传输到被熔光纤处进行熔接。本发明结构简单、抗振动干扰能力强、灵敏度高、制造容易，适用于不同规格光子晶体光纤之间及光子晶体光纤与常规光纤之间的熔接。
文档编号G02B6/255GK101251623SQ20081005462
公开日2008年8月27日 申请日期2008年3月22日 优先权日2008年3月22日
发明者付广伟, 强 刘, 毕卫红 申请人:燕山大学