CN110716264A - 一种软玻璃光纤熔接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软玻璃光纤熔接方法，通过在熔接加热过程增加预热环节及采用单向推进的方式，按预热处理和加热熔接两个阶段进行，通过预热过程使软玻璃光纤端面接近软化程度，再单向推进具有较高软化温度的待熔接光纤，从而完成光纤的熔接，因此，不需要过高的熔接温度，同时可以避免软玻璃光纤过度软化，有效提高了熔接效率。

Description

一种软玻璃光纤熔接方法

技术领域

本发明属于中红外光纤激光器技术领域，具体涉及一种软玻璃光纤熔接方法。

背景技术

近年来，在红外定向干扰技术、超远距离通信等领域具有独特应用优势的中红外超连续激光光源(SC-MIR)成为光纤激光方向的研究热点。受本征吸收损耗的限制，传统的石英光纤在高于2.5μm波段传输时损耗急剧增加，不适合用于SC-MIR的产生。以氟化物(ZrF₄-BaF₂-LaF₃-AlF₃-NaF(ZBLAN)和InF₃)、硫化物(As₂S₃和As₂Se₃)和碲酸盐(TeO₂和TeO₂-BaF₂-Y₂O₃)等为代表的特种软玻璃光纤(SGF)具有宽的红外传输窗口和大的非线性折射率，是最理想的中红外传输介质之一，被陆续地应用于中红外光纤激光器的研究中。但是，目前SC-MIR光纤激光器难以实现高效的全光纤集成化，多数以空间耦合方式(如光纤端面机械对接、透镜耦合等)实现特种软玻璃光纤与抽运光源的连接，限制了SC-MIR功率水平的提升，同时不利于后续进一步级联特种软玻璃光纤拓展光谱范围。

在高功率光纤激光领域，除了空间耦合外，机械熔接是实现全纤化最常用的技术手段。目前，对于与软玻璃光纤的熔接而言，可采用非对称电极放电熔接技术实现熔接，但是，该技术存在以下缺陷：

1、当高软化温度光纤端面可以将低软化温度光纤端面软化时，高软化温度光纤端面的温度较高，直接将两种光纤互相推进，低软化温度光纤端面的软化区域会迅速增加，从而导致低软化温度光纤软化区域长于熔接所需距离，两种光纤熔接后堆积距离过大，进而影响熔接效率。

2、采用机械力将已软化的低软化温度光纤向未软化的高软化温度光纤推进时，容易造成低软化温度光纤纤芯的偏移和两种光纤之间的角度倾斜等，进而增加熔接损耗。

3、现有技术中将放电电极置于高软化温度光纤一侧，由于电极放电瞬间温度高，为了精确控制低软化温度光纤熔接端的软化程度，电极需要偏置较大的距离，增加实验复杂度，降低推进的精度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种软玻璃光纤熔接方法，能够提供均匀、稳定、易操控的热场，并且能够有效避免由纤芯错位、弯曲导致的非本征连接损耗，提高了特征软玻璃光纤的熔接效率。

本发明提供的一种软玻璃光纤熔接方法，用于熔接的两根光纤分别具有不同的软化温度，其中，具有较高软化温度的光纤称为待熔接光纤，软玻璃光纤具有较低的软化温度，包括以下步骤：

将所述待熔接光纤与所述软玻璃光纤相距设定间隔并相互对准；在所述待熔接光纤外设置加热元件；

启动所述加热元件，加热所述待熔接光纤，通过空气的热传导间接加热所述软玻璃光纤的光纤端面；当所述软玻璃光纤端面达到其软化温度时，在保持所述软玻璃光纤静止的情况下，将所述待熔接光纤沿轴向方向，向所述软玻璃光纤推进，直至与所述软玻璃光纤的光纤端面相接触；此时，所述加热元件持续加热，直至加热时间达到设定的加热持续时间阈值时，则停止加热，当所述软玻璃光纤的端面温度降低后，光纤固化形成熔接点。

进一步地，所述加热元件与所述待熔接光纤端面间具有偏置距离，所述偏置距离根据软玻璃光纤的软化温度和待熔接光纤的导热系数进行设置。

进一步地，所述加热元件根据设定的熔接功率加热所述待熔接光纤，所述熔接功率以传递至所述软玻璃光纤端面的温度能够达到其软化温度为标准。

进一步地，所述待熔接光纤以设定的推进速度向所述软玻璃光纤推进，当推进距离达到设定的热推距离阈值时，则停止推进；其中，所述推进速度及热推距离阈值的设定，以实现所述软玻璃光纤与待熔接光纤接触甚至重叠堆积为标准；所述加热持续时间阈值的设定，以实现所述软玻璃光纤端面的温度达到软化温度以上并避免使所述软玻璃光纤产生纤芯弯曲为标准。

进一步地，所述加热元件为电阻加热丝，所述电阻加热丝为Ω型电阻加热丝围绕在所述待熔接光纤的外周，其采用石墨材料或铱材料。

进一步地，采用有源纤芯对准方法将所述待熔接光纤与所述软玻璃光纤相互对准。

进一步地，在将所述待熔接光纤与所述软玻璃光纤相距设定间隔并相互对准前，对所述待熔接光纤与所述软玻璃光纤进行光纤端面处理，所述光纤端面处理采用研磨的方式，研磨前采用化学剥离法去除特种软玻璃光纤的涂覆层，研磨后采用清洁剂对光纤进行清洁。

进一步地，所述研磨的过程包括粗磨、研磨、精细研磨、超精细研磨和抛光，其中，所述粗磨、研磨、精细研磨及超精细研磨使用研磨辅助剂完成；抛光使用抛光辅助剂完成。

进一步地，所述研磨辅助剂的成分为：Si为20％，粒径为大于等于30nm小于等于50nm；Na<0.3％；杂质<0.1％；PH值为大于等于7.6小于等于9.5；所述抛光辅助剂可选择食用油或者松节油。

进一步地，推进速度v的取值范围为50≤v≤100，单位为：μm/s；热推距离L₃的取值范围为0≤L₃≤20，单位为：μm；加热持续时间T₂的取值范围为0.01≤T₂≤5，单位为：s。

有益效果：

1、本发明通过在熔接加热过程增加预热环节及采用单向推进的方式，按预热处理和加热熔接两个阶段进行，通过预热过程使软玻璃光纤端面接近软化程度，再单向推进具有较高软化温度的待熔接光纤，从而完成光纤的熔接，因此，不需要过高的熔接温度，同时可以避免软玻璃光纤过度软化，有效提高了熔接效率；

2、本发明采用电阻加热丝作为加热元件，能够提供均匀、稳定、易操控的热场，可实现稳定的熔接，从而保证单次熔接效率的稳定性；

3、本发明通过采用有源纤芯对准方法和高软化温度光纤单向推进的方式，避免纤芯错位、弯曲导致的非本征连接损耗；

4、本发明采用研磨方式对软玻璃光纤端面进行处理，能够更好的适应软玻璃光纤的质地脆、机械强度低的特点，同时使用自制研磨辅助剂和抛光辅助剂，能够解决ZBLAN光纤研磨过程中易潮解的问题。

附图说明

图1为本发明提供的一种软玻璃光纤熔接方法的流程图。

图2为本发明提供的一种软玻璃光纤熔接方法的操作结构示意图。

图3为本发明提供的一种软玻璃光纤熔接方法的光纤温度分布曲线图。

其中，1-单模915nm激光二极管泵浦源(LD)；2-法兰盘接口；3-单模石英光纤(SMF)；4-电阻加热丝；5-软玻璃光纤(SGF)；6-功率探测器。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种软玻璃光纤熔接方法，其基本思想是：采用加热元件加热具有较高软化温度的光纤，通过光纤和空气传导，间接地将热量传递给具有较低软化温度的软玻璃光纤，待其端面接近软化温度时再将具有较高软化温度的光纤推向静止稳定的软玻璃光纤，通过控制加热时间和推进距离，实现两种光纤的熔接。

本发明提供的一种软玻璃光纤熔接方法，如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤1、光纤熔接端面处理。

采用切割或研磨等方式对光纤熔接端面进行处理，确保端面角度满足要求，且光滑平整无偏心。

以熔接ZBLAN光纤和碲酸盐光纤为例，可以采用研磨方式制备待熔接ZBLAN光纤和碲酸盐光纤端面。研磨前，先采用化学剥离法去除软玻璃光纤的涂覆层，例如，使用二氯甲烷凝胶剥除ZBLAN光纤的涂覆层。然后，再对光纤进行研磨，具体研磨流程为：粗磨→研磨→精细研磨→超精细研磨→抛光，为了避免ZBLAN光纤在研磨过程中发生潮解现象并对光纤端面进行修复，需要在前四个流程中使用研磨辅助剂，研磨辅助剂的主要成分为：Si为20％，粒径：30-50nm；Na<0.3％；杂质<0.1％.，PH值：7.6到9.5；在抛光流程中使用抛光辅助剂，抛光辅助剂可选择食用油或松节油。

例如，每个流程选取的研磨纸分别为：D9-127→D3-127→D1-127→D0.5-127→ADS-127；研磨转速和慢启动时间的设置分别为8rpm和8s，研磨时间的设置为325s→325s→325s→325s→120s。研磨后，碲酸盐光纤端面使用酒精进行超声清洁，ZBLAN光纤端面通过丙酮超声清洁。

步骤2、采用有源纤芯对准方法，将光纤相互对准，且两侧光纤的间距为预设间隙L₁。

例如，如图2所示，将单模915nm激光二极管泵浦源1作为准直光源通过法兰盘接口2与单模石英光纤3连接，在软玻璃光纤5后放置功率探测器6，通过手动调节光纤熔接机的XY对准组件使纤芯激光的通过率达到最大，完成纤芯对准；并且使两侧光纤的间距保持为预设间隙的值。

步骤3、将加热元件放置于具有较高软化温度的待熔接光纤外周，且加热元件的中心点与预设间隙的中心点的距离为设定的偏置距离d。

其中，加热元件可采用Ω型电阻加热丝，以环绕的方式放置在具有较高软化温度的待熔接光纤外周，以提高热场的均匀性和稳定性，电阻加热丝的材料可以为石墨材料或铱材料。

本发明采用的这种非对称加热结构，在待熔接光纤与软玻璃光纤上形成梯度温度分布场，不直接熔化软玻璃光纤5，而是加热单模石英光纤3，再由加热后的单模石英光纤3的端部充当软玻璃光纤5的加热元件。其非对称加热操作的典型温度分布如图3所示，最高温度位于单模石英光纤3上电阻加热丝4所在的位置，随着光纤传导逐渐降低到单模石英光纤端部的温度；然后，通过空气间隙继续传导到软玻璃光纤端部，软玻璃光纤端部温度T_SGF低于单模石英光纤端部的温度T_SMF。由于石英光纤端部温度可以增加到高于软玻璃光纤端部的温度，两种光纤之间形成的热扩散键的扩散过程和化学反应过程效率更高，具有良好的拉伸强度。同时，利用石英光纤间接加热软玻璃光纤可以提供更均匀的热场，由此在两种光纤之间产生的温度梯度对于同时获得低损耗和高拉伸强度的熔点至关重要。

步骤4、清洁加热元件和光纤端面。

步骤5、加热熔接。

加热熔接过程包括预加热和持续加热两个阶段。其中，第一阶段为预加热阶段，加热元件首先前进到设定位置后开始释放热量，将热量传递到软玻璃光纤端面使其达到软化状态；第二阶段为持续加热阶段，在该阶段加热元件持续加热的同时将具有加热元件的光纤沿轴向向具有较低软化温度的软玻璃光纤推进，当推进距离达到设定的热推距离阈值时，停止推进；当所述加热元件的加热时间达到设定的加热持续时间阈值时，则停止加热；当具有较低软化温度的光纤端面温度降低后，光纤固化形成永久的热扩散键，即低损耗的熔接点，从而完成熔接。

具体来说，熔接过程为：将具有加热元件的待熔接光纤，沿轴向向另一侧具有较低软化温度的光纤按照设定的推进速度v进行推进，当推进距离达到预推距离L₂时，加热元件根据设定的熔接功率P启动加热，并暂停推进；当暂停时间达到设定的热推延迟T₁时，则继续推进并进入持续加热阶段，当推进距离达到设定的热推距离L₃时，则停止推进，当加热元件的加热时间达到设定的加热持续时间T₂时，则停止加热，等待温度降低完成熔接。其中，L₁>L₂，L₃≥(L₁-L₂)，且

对于熔接光纤分别为石英光纤和软玻璃光纤的情况，由于石英光纤的导热系数高于软玻璃光纤(例如λ_石英＝1.38W/m·K,λ_碲酸盐＝0.56～1.25W/m·K,λ_ZBLAN＝0.63W/m·K)，当石英光纤逐渐接近软玻璃光纤直至接触的过程中，软玻璃光纤端面的温度会持续增加到软化温度以上，软化后并将石英光纤包裹。

其中，偏置距离d的取值范围为1100≤d≤1800，单位为：μm；熔接功率P的取值范围为1.5≤P≤30，单位为：W；预设间隙L₁的取值范围为0.8≤L₁≤15，单位为：μm；预推距离L₂的取值范围为5≤L₂≤20，单位为：μm；热推距离L₃的取值范围为0≤L₃≤20，单位为：μm；热推延迟T₁的取值范围为0.01≤T₁≤5，单位为：s；加热持续时间T₂的取值范围为0.01≤T₂≤5，单位为：s；推进速度v的取值范围为50≤v≤100，单位为：μm/s。

步骤6、检测熔接效果进行熔点固定。

本发明可以通过调整参数实现不同软化温度的光纤熔接，不仅包括软玻璃光纤与石英光纤的熔接，也可以实现不同材料的软玻璃光纤之间的熔接。

实施例1：

本实施例以软玻璃光纤与单模石英光纤的熔接为例，采用本发明提出的软玻璃光纤熔接方法进行熔接。本实施例中，使用Vytran大纤芯光纤熔接机(GPX-3400)实现软玻璃光纤与单模石英光纤的熔接，其中，软玻璃光纤为碲酸盐光纤，其纤芯直径为12μm，包层直径为220μm，无涂覆层；单模石英光纤的纤芯直径为9μm，包层直径为125μm，涂覆层直径为250μm。此外，由于软玻璃光纤熔接所需的熔接功率低，室温的波动会对熔接参数设置和熔接效果产生较大的影响，因此为了避免室温变化产生的影响，实验中将室温控制在19±1℃。

步骤1.1、光纤端面处理。

使用Vytran光纤切割机(LDC400)对石英光纤和碲酸盐光纤进行0度角切割：对于包层直径为125μm石英光纤的最佳切割拉力为220g；对于软玻璃光纤，由于其质地脆、机械强度低，杨氏模量与石英光纤相比较低，因此，进行切割时，需要适当地减小切割拉力，对于包层直径为220μm碲酸盐光纤的最佳切割拉力为200g。

步骤1.2、安装软玻璃光纤和石英光纤。

使用Vytran大纤芯光纤熔接机(GPX-3400)，包含光纤夹持器、加热炉组件、用于成像的CCD相机、预装有控制软件的电脑主机和显示器、用于侧面和端面成像的反射镜塔。如图2所示，分别将单模石英光纤3和软玻璃光纤5安装在光纤熔接机电阻加热丝4两侧的光纤夹持器内，其中，单模石英光纤3安装在电阻加热丝4在加热过程中偏置的一侧，电阻加热丝4环绕在单模石英光纤3的周围，且将电阻加热丝4的中心点与两侧光纤间隙中心点的距离保持为设定的偏置距离d。

步骤1.3、设置Vytran大纤芯光纤熔接机(GPX-3400)的参数。

(1)设置电阻加热丝偏置距离d。

热传导过程中，温度分布的梯度

与偏置距离d有关，偏置距离d越大，温度梯度的斜率越小。实验条件的允许偏置调节范围为0μm～1800μm。进行多次测试发现，当偏置距离d小于1200μm时，改变电阻加热丝4的设定功率对软玻璃光纤端部温度影响较大，降低了电阻加热丝4的功率调节精度，微小的功率变化会明显影响熔接的效率和熔点的强度。偏置距离增大，电阻加热丝4的调节精度增加，同时需要更大的熔接功率或者更长的加热时间。通过实验最终确定本实例中的偏置距离d为1400μm。继续增加偏置距离，熔接强度会随之减小。

(2)设置熔接功率P，以传递至软玻璃光纤端面的温度达到其软化温度为标准。

实现碲酸盐光纤之间的熔接所需功率为1.5W。这表明，若电阻加热丝置于光纤间隙中心放置时，实现熔接的最小功率为1.5W。当偏置距离d设为1400μm，电阻加热丝的熔接功率P增加至16W可以实现碲酸盐光纤与石英光纤之间高质量的熔接。熔接功率P较低时，熔点强度较低，需要延长加热时间来增加熔点强度，延长加热时间会导致石英光纤变黑而产生较高的损耗。熔接功率P高于16W时，碲酸盐光纤端部会由于功率过高导致纤芯变形下垂的现象，进而造成熔接效率的大幅下降，熔接功率P最佳设置为16W±0.5W。

(3)设置推进速度v。

推进速度v以熔接单模石英光纤的经验速度为标准。

(4)设置光纤距离和加热时间。

光纤距离包括预设间隙L₁、预推距离L₂和热推距离L₃，加热时间包括热推延迟T₁和持续时间T₂。预设间隙L₁以熔接单模石英光纤的经验预设间隙为标准。通过合理设置预推距离L₂和热推延迟T₁可以控制预热处理阶段的软玻璃光纤端面温度T_SGF，使T_SGF接近其软化温度。其中，预推距离L₂小于预设间隙L₁，设置范围为5μm-8μm，热推延迟T₁不小于L₂/v。合理设置热推距离L₃和持续时间T₂可以在短时间内将软玻璃光纤端面加热到软化温度以上，推进石英光纤完成熔接。其中，热推距离L₃不小于L₁-L₂，不超过20μm。持续时间T₂极短，避免软玻璃光纤端面温度积累，导致软化过度造成纤芯弯曲，使熔接损耗增大。

表1碲酸盐光纤与石英光纤熔接参数表

步骤1.4、清洁电阻加热丝和光纤端面。使用氩气对光纤端面和电阻加热丝进行清洁。吹气流量设置为0.35l/min，吹气时间为30s，点击purge按钮完成吹气清洁。

步骤1.5、启动熔接。关闭准直光源，点击熔接按钮，按照设置参数进行熔接，熔接完成后，电阻加热丝自动退回到初始位置。

步骤1.6、检测熔接效果进行熔点固定。打开准直光源检测熔接后的功率，保证熔点激光通过率达到实验要求。关闭准直光源，使用多维超高精密手动平移台将铝制熔点固定夹具移动置在熔点处对熔点进行固定，在夹具固定槽内的光纤上涂覆高折射率固定胶水，使用紫外灯照射加固，用于对熔点进行加固并倾泻熔点处可能存在的包层激光，确保高功率激光器的使用安全性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种软玻璃光纤熔接方法，用于熔接的两根光纤分别具有不同的软化温度，其中，具有较高软化温度的光纤称为待熔接光纤，软玻璃光纤具有较低的软化温度，其特征在于，包括以下步骤：

将所述待熔接光纤与所述软玻璃光纤相距设定间隔并相互对准；在所述待熔接光纤外设置加热元件；

启动所述加热元件，加热所述待熔接光纤，通过空气的热传导间接加热所述软玻璃光纤的光纤端面；当所述软玻璃光纤端面达到其软化温度时，在保持所述软玻璃光纤静止的情况下，将所述待熔接光纤沿轴向方向，向所述软玻璃光纤推进，直至与所述软玻璃光纤的光纤端面相接触；此时，所述加热元件持续加热，直至加热时间达到设定的加热持续时间阈值时，则停止加热，当所述软玻璃光纤的端面温度降低后，光纤固化形成熔接点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热元件与所述待熔接光纤端面间具有偏置距离，所述偏置距离根据软玻璃光纤的软化温度和待熔接光纤的导热系数进行设置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热元件根据设定的熔接功率加热所述待熔接光纤，所述熔接功率以传递至所述软玻璃光纤端面的温度能够达到其软化温度为标准。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待熔接光纤以设定的推进速度向所述软玻璃光纤推进，当推进距离达到设定的热推距离阈值时，则停止推进；其中，所述推进速度及热推距离阈值的设定，以实现所述软玻璃光纤与待熔接光纤接触甚至重叠堆积为标准；所述加热持续时间阈值的设定，以实现所述软玻璃光纤端面的温度达到软化温度以上并避免使所述软玻璃光纤产生纤芯弯曲为标准。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的方法，其特征在于，所述加热元件为电阻加热丝，所述电阻加热丝为Ω型电阻加热丝围绕在所述待熔接光纤的外周，其采用石墨材料或铱材料。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，采用有源纤芯对准方法将所述待熔接光纤与所述软玻璃光纤相互对准。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在将所述待熔接光纤与所述软玻璃光纤相距设定间隔并相互对准前，对所述待熔接光纤与所述软玻璃光纤进行光纤端面处理，所述光纤端面处理采用研磨的方式，研磨前采用化学剥离法去除特种软玻璃光纤的涂覆层，研磨后采用清洁剂对光纤进行清洁。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述研磨的过程包括粗磨、研磨、精细研磨、超精细研磨和抛光，其中，所述粗磨、研磨、精细研磨及超精细研磨使用研磨辅助剂完成；抛光使用抛光辅助剂完成。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述研磨辅助剂的成分为：Si为20％，粒径为大于等于30nm小于等于50nm；Na<0.3％；杂质<0.1％；PH值为大于等于7.6小于等于9.5；所述抛光辅助剂可选择食用油或者松节油。

10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，推进速度v的取值范围为50≤v≤100，单位为：μm/s；热推距离L₃的取值范围为0≤L₃≤20，单位为：μm；加热持续时间T₂的取值范围为0.01≤T₂≤5，单位为：s。

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