专利名称：一种保偏光子晶体光纤与熊猫光纤熔接方法
技术领域：
本发明涉及一种保偏光子晶体光纤与熊猫光纤熔接方法，应用于光子晶体光纤陀螺以及其它光子晶体光纤传感技术领域。
背景技术：
保偏光子晶体光纤是在包层周期性结构中引入两个大的空气孔，实现高双折射，从而达到偏振保持的功能的。由于其全新的结构及导光机理，使其具有许多与传统保偏光纤不同的特性，这些特性十分有利于光纤陀螺应用，具体如下( I)低弯曲损耗，最小弯曲直径可达2_，无损耗，有助于陀螺小型化设计。( 2)纯二氧化硅材料，无掺杂，抗辐射性强。 (3)采用几何双折射实现偏振保持，降低温度敏感性。采用保偏光子晶体光纤绕制光纤环取代传统的熊猫光纤环，可以减小陀螺体积，提高陀螺环境适应性，有利于光纤陀螺的空间应用。但是，光子晶体光纤陀螺中保偏光子晶体光纤环尾纤需要与波导的熊猫光纤尾纤进行熔接，而光子晶体光纤与传统光纤进行熔接存在着损耗高、强度差的问题，这些问题会严重影响光子晶体光纤陀螺的性能。因此，需要采用合理的熔接设备及熔接方法以降低熔接损耗、提高熔接强度。另外，保偏光纤熔接过程中还需要进行偏振轴的对准，对轴精度也会影响陀螺性能。所以，还需要采取合理的对轴技术，实现保偏光子晶体光纤与熊猫光纤的高精度对轴。目前，比较常见的光子晶体光纤熔接技术有I、电弧放电熔接技术目前最为常见的熔接设备多采用电弧放电熔接技术，此种设备虽然造价低廉，操作方便，适用于批量生产，但电弧放电加热方式瞬时温度高，电极附近温度场分部不均且难以精确控制。光子晶体光纤依靠微结构进行传光，过高的温度会使熔点处空气孔塌陷，改变光纤结构，导致熔接损耗损耗增加。虽然，通过对放电时间，放电电流合理控制，可以减小空气孔的塌陷，一定程度上降低熔接损耗，但此种方法以牺牲熔点的机械强度为代价，对于工程应用十分不利。随后，又有人提出小电流多次放电来增加熔接强度减小熔接损耗的方法，此种方法参数控制复杂，效率极低，通常需十几次放电方能达到目标，且熔接效果并不十分理想，重复性较差。2、C02激光器熔接技术此项技术需要采用价格昂贵的激光器熔接设备，虽然通过合理的参数优化可以达到较好的熔接效果，但熔接工艺十分复杂，对硬件及操作要求较高，对于普通光子晶体光纤应用并不适用。最重要的是此种技术较难实现偏振轴的对准。3、电热丝加热熔接技术目前较为先进的熔接设备多采用电热丝加热技术，Ω型的电热丝，可以在待熔光纤周围形成一个均匀的温度场。通过调整功率的大小及加热时间，可以很好的控制光纤的熔化程度，控制光子晶体光纤空气孔的塌陷，这十分有利于降低光子晶体光纤的熔接损耗。而且此类型设备多采取端面成像技术进行对轴，相对比传统的POL曲线对轴技术更加适用于光子晶体光纤偏振轴的对准。但要获得较理想的熔接损耗及强度仍需对熔接过程及参数进行优化设计。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种保偏光子晶体光纤与熊猫光纤熔接方法，本发明通过对熔接过程中各参数进行优化，可以大大降低保偏光子晶体光纤与熊猫光纤的熔接损耗，提高熔点强度，简单易行；并采用端面成 像对轴技术，实现两者的偏振轴高精度对准。一种保偏光子晶体光纤与熊猫光纤熔接方法，包括以下几个步骤步骤一选取光纤的初始位置；在熔接机一端放入已剥去涂覆层的保偏光子晶体光纤，进行加热，调整光纤端面与加热中心的距离P，P从O开始，获取加热中心热场的边缘位置L，当P〈L时，光纤熔化明显，端面呈球状，当P>L时，光纤基本没有熔化，端面基本保持不变，将待熔的保偏光子晶体光纤与熊猫光纤分别放入熔接机，保偏光子晶体光纤端面与熊猫光纤端面的距离为G，加热中心的位置为C，C与熊猫光纤端面之间的距离为L ；步骤二 偏振轴的对准；根据保偏光子晶体光纤的微结构进行建模仿真，得到保偏光子晶体光纤的快轴、慢轴的方向，通过端面成像技术，使之分别于熊猫光纤快轴、慢轴对准；步骤三进行熔接；包括预加热、加热推进、后加热以及回火四步；首先，选取熔接机的功率W，W以熊猫光纤熔点温度为标准；其次，设置加热时间，加热总时间T为预加热时间T1、推进时间T2以及后加热时间T3三步时间之和；预加热时间T1使熊猫光纤充分熔化；推进时间T2 = S/V，其中，V为推进速度，S为推进距离；后加热时间T3通过实验获取，使得达到增加熔接强度的效果；回火过程中，以较小的功率，快速扫描熔接区域一个来回，对熔点附近的损伤进行修复，进一步加强熔接强度。本发明的优点在于( I)本发明通过控制光子晶体光纤空气孔塌陷及熊猫光纤熔接点处直径，实现两种光纤模场更好的匹配，降低熔接损耗；(2)本发明通过适当的加大光纤熔接过程中的推进距离，降低熔接损耗，提高熔接强度，熔点处最小弯曲半径可达2cm ；(3)本发明采用新型熔接机及端面成像对轴技术，可实现光子晶体光纤与熊猫光纤的偏振轴对准，并提高对轴精度；(4)本发明工艺简单(只需一次熔接)，易于操作，重复性强，可适用于其它种类光子晶体光纤与传统单模光纤熔接；
图Ia是本发明保偏光子晶体光纤的截面示意图Ib是本发明熊猫光纤的截面示意图；图2a是本发明保偏光子晶体光纤模场仿真示意图；图2b是本发明保偏光子晶体光纤测量结果；图3是本发明的方法流程图；图4a是本发明的光纤在某一个温度场下熔化状况；图4b是本发明的光纤在某一个温度场下熔化状况；图5是本发明待熔光纤初始位置示意图；图6是本发明的保偏光子晶体光纤与熊猫光纤对轴示意图；·图7是本发明的保偏光子晶体光纤与熊猫光纤熔接效果图；图8是本发明的保偏光子晶体光纤熔接后截面图。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。保偏光子晶体光纤(长飞公司)如图Ia所示，其微结构由外侧呈六边形排列的空气孔以及紧靠纤芯对称分布的两个大孔构成。D1为光纤外径(本实例中D1=USym), (I1为小孔直径(本实例中屯=2. 2μπι)，(12为大孔直径(本实例中d2=4. 5μπι)，A为孔间距(本实例中Λ =4. 4 μ m)。通过对保偏光子晶体光纤模场仿真及测量，如图2a和图2b所示，得到保偏光子晶体光纤模场2. 8 μ m/4. 6 μ m及偏振主轴(快轴、慢轴)。熊猫光纤(长飞公司)如图Ib所示，由外向内依次为包层、应力区及纤芯。D2为熊猫光纤外径(本实例中D2=125 μ m), d为纤芯直径(本实例中d=6 μ m),熊猫光纤模场直径(定值，为光纤本身参数)6. 5 μ m基本上与纤芯直径成正比。由于两种光纤模场相差较大，致使熔接过程中由模场失配引起的损耗较大。若只考虑模场失配引起的损耗，两种光纤最小熔接损耗的理论值为1.64dB。由模场失配造成的耦合损耗α的计算公式如下，其中Wl，W2分别为保偏光子晶体光纤模场长轴及短轴直径，wf为熊猫光纤模场直径
AWlW2Wf2 =-IOlog--77
(Wf+Wr Xw2-+W,)本发明是一种保偏光子晶体光纤与熊猫光纤熔接方法，流程如图3所示，包括以下几个步骤步骤一选取光纤的初始位置。在熔接机一端放入已剥去涂覆层的保偏光子晶体光纤，对其实施加热处理，观察其端面熔化情况。所述的熔接机为电热丝加热，多次调整光纤端面与加热中心(加热中心即为电热丝)的距离ρ，ρ从O开始，寻找电热丝热场的边缘位置L。当P〈L时，光纤熔化明显，端面呈球状，如图4a所示；当P>L时，光纤基本没有熔化，端面基本保持不变，如图4b所示。L的位置随熔接设备的差异而有所差异，也与光纤材料属性有一定关系，只需依照上述方式寻找L即可(本实例中L=220ym)。将待熔的保偏光子晶体光纤与熊猫光纤分别放入熔接机，放置位置如图5所示，保偏光子晶体光纤端面与熊猫光纤端面的距离为G (本实例选取G=5 μ m)，加热中心(加热中心即为电热丝)的位置为C，C与熊猫光纤端面之间的距离为L。步骤二 偏振轴的对准。
根据保偏光子晶体光纤的微结构进行建模仿真，得到保偏光子晶体光纤的快轴、慢轴的方向，通过端面成像技术，使之分别于熊猫光纤快轴、慢轴对准，光子晶体光纤两大孔方向与熊猫光纤两应力区方向垂直对准，如图6所示(图中fast为快轴，slow为慢轴)。步骤三进行熔接。整个熔接过程分为预加热、加热推进、后加热以及回火四步，需要对每一步的参数进行合理的设置，以确保熔接质量。首先，选取熔接机合适的功率W，以达到近中心光纤(熊猫光纤)熔点温度为标准(本实例中W=45W)。其次，设置加热时间，加热总时间T为预加热时间T1、推进时间T2以及后加热时间T3三步时间之和。预加热时间T1需能够使熊猫光纤充分熔化(本实例中T1=O. 5s);推进时 间T2,与推进速度V和推进距离S有关(T2 = S/V)，推进速度过快或过慢都会影响熔接质量(本实例中V=50 μ m/s, S=30 μ m, T2=O. 6s);后加热时间T3对减小熔接损耗，增加熔接强度具有重要意义。通常T3取值范围在O. 5s 1.2s，T3过小会使熔点十分脆弱，而过大又会使光子晶体光纤空气孔严重塌陷，增加熔接损耗。通过多次实验，选取最适合的T3 (本实例中T3=O. 9s)。回火过程为实例熔接设备采用的新技术，以较小的功率(本实例中功率40W)，快速扫描(本实例中速度为1000 μ m/s)熔接区域(本实例中区间为900 μ m) —个来回，这一过程可以有效地对熔点附近的损伤进行修复，有利于进一步加强熔接强度。本发明方法熔接实例的结果如图7所示，熔点左侧为保偏光子晶体光纤，右侧为熊猫光纤，熔接损耗约为O. 65dB/0. 97dB (10次熔接的平均值，前者为光由保偏光子晶体光纤耦合入熊猫光纤的损耗；后者为熊猫光纤耦合入光子晶体光纤的损耗)。这一结果远低于两光纤耦合的理论损耗，其原因为熔接过程中改变了两光纤熔点处的模场，从而减小了模场失配带来的损耗。由图可以看出，熊猫光纤在熔点处外径有小幅的减小，保偏光子晶体光纤微结构略有改变，即空气孔略有塌陷。为了理论验证熔接损耗的降低原理，将已熔好的光纤从熔点处切断，观察其端面，图8为保偏光子晶体光纤熔接后端面，经过测量，其微结构发生了改变。小孔直径Cl1变为(!/^^^!!!，大空直径七变为d2’=3.8 μ m，对应的其模场也发生改变，由原来的2. 8 μ m/4. 6 μ m变为3. 3 μ m/4. 9 μ m。而熊猫光纤由于外径由125 μ m变为120 μ m，模场直径也发生了改变，由原来的6. 5μπι变为6. 24 μ m。根据耦合损耗计算公式，熔接后两种光纤的耦合损耗为O. 95dB，这与实际熔接损耗的测量结果非常吻合。本发明方法熔接强度也得到了充分的验证，熔接样本依次被绕在直径不同的金属棒上，绝大部分样本可以在2cm的弯曲半径下保持完好，这说明本发明方法具有很高的熔接强度，适于实际应用。
权利要求
1.一种保偏光子晶体光纤与熊猫光纤熔接方法，其特征在于，包括以下几个步骤 步骤一选取光纤的初始位置； 在熔接机一端放入已剥去涂覆层的保偏光子晶体光纤，进行加热，调整光纤端面与加热中心的距离P，P从O开始，获取加热中心热场的边缘位置L，当P〈L时，光纤熔化明显，端面呈球状，当P>L时，光纤基本没有熔化，端面基本保持不变， 将待熔的保偏光子晶体光纤与熊猫光纤分别放入熔接机，保偏光子晶体光纤端面与熊猫光纤端面的距离为G，加热中心的位置为C，C与熊猫光纤端面之间的距离为L ； 步骤二 偏振轴的对准； 根据保偏光子晶体光纤的微结构进行建模仿真，得到保偏光子晶体光纤的快轴、慢轴的方向，通过端面成像技术，使之分别于熊猫光纤快轴、慢轴对准； 步骤三进行熔接； 包括预加热、加热推进、后加热以及回火四步； 首先，选取熔接机的功率W，W以熊猫光纤熔点温度为标准； 其次，设置加热时间，加热总时间T为预加热时间T1、推进时间T2以及后加热时间T3H步时间之和；预加热时间T1使熊猫光纤充分熔化；推进时间T2 = S/V，其中，V为推进速度，S为推进距离；后加热时间T3通过实验获取，使得达到增加熔接强度的效果； 回火过程中，以较小的功率，快速扫描熔接区域一个来回，对熔点附近的损伤进行修复，进一步加强熔接强度。
2.根据权利要求I所述的一种保偏光子晶体光纤与熊猫光纤熔接方法，其特征在于，保偏光子晶体光纤与熊猫光纤熔接后的耦合损耗α为
3.根据权利要求I所述的一种保偏光子晶体光纤与熊猫光纤熔接方法，其特征在于，所述的熔接机为电热丝加热。
4.根据权利要求I所述的一种保偏光子晶体光纤与熊猫光纤熔接方法，其特征在于，所述的T3取值范围在O. 5s I. 2s。
5.根据权利要求I所述的一种保偏光子晶体光纤与熊猫光纤熔接方法，其特征在于，所述的T3取值范围在O. 5s I. 2s。
6.根据权利要求I所述的一种保偏光子晶体光纤与熊猫光纤熔接方法，其特征在于，所述的回火过程中，功率为40W，扫描速度为1000 μ m/s。
全文摘要
本发明公开了一种保偏光子晶体光纤与熊猫光纤熔接方法，其特征在于，包括以下几个步骤步骤一选取光纤的初始位置；步骤二偏振轴的对准；步骤三进行熔接。本发明通过控制光子晶体光纤空气孔塌陷及熊猫光纤熔接点处直径，实现两种光纤模场更好的匹配，降低熔接损耗。本发明通过适当的加大光纤熔接过程中的推进距离，降低熔接损耗，提高熔接强度。本发明采用新型熔接机及端面成像对轴技术，可实现光子晶体光纤与熊猫光纤的偏振轴对准，并提高对轴精度。本发明工艺简单，只需一次熔接，易于操作，重复性强，可适用于其它种类光子晶体光纤与传统单模光纤熔接。
文档编号G02B6/255GK102890309SQ20121035996
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月24日 优先权日2012年9月24日
发明者宋镜明, 孙祚明, 宋凝芳, 刘海霞, 徐宏杰, 王曙 申请人:北京航空航天大学