光纖微透鏡精密研磨在線檢測系統(tǒng)開發(fā)

虞國良

摘要：通過CCD檢測光纖微透鏡研磨斜面的去除量，結(jié)合圖像處理算法優(yōu)化，控制表面輪廓和斜面角度，滿足高功率激光模塊與單模光纖的耦合。在線檢測保證光纖微透鏡滿足性能規(guī)格和加工效率，實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

關鍵詞：CCD;光纖微透鏡;研磨;在線檢測

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）11-0133-02

0 前言

光纖通訊和其它傳統(tǒng)的通訊方式一樣，經(jīng)長距離傳輸之后，訊號會被衰減而無法辨識，因此訊號需要經(jīng)過適當放大才能繼續(xù)傳送或使用。傳統(tǒng)的單波長光訊號放大技術是將訊號在電的領域中放大，其步驟系先將衰減后的光訊號做光-電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娪嵦?，然后用成熟的電子放大技術將電訊號放大，最后再將放大后的電訊號做電-光轉(zhuǎn)換變回光訊號。

早在1986年，英國南安普敦大學[1]和美國AT&T貝爾實驗室[2]就提出了離子態(tài)的稀土元素“鉺”摻雜在光纖中可以提供1550nm波長的光增益，摻鉺光纖放大器（Er-Doped FiberAmplifier; EDFA）的發(fā)展也迅速走向?qū)嵱没?。作為EDFA的主要組件之一的高功率泵浦激光可以激發(fā)摻鉺光纖中的鉺離子由基態(tài)能階躍遷到高能階[3]，以達成粒子分布反轉(zhuǎn)的狀態(tài)。當信號光通過摻鉺光纖，受激鉺離子會被誘發(fā)由高能階返回到基態(tài)能階并釋放出與信號光相同的受激輻，進而產(chǎn)生放大作用。

1 光纖端面微透鏡研磨

一般而言，高功率激光與標準單模光纖之間的耦合效率約只有20%-30%。在光纖端面制作微透鏡是促進光纖和激光模態(tài)匹配（Mode Match）最有效且低成本的作法，光纖微透鏡能提升耦合效率，透過在光纖端面形成特定的微透鏡結(jié)構(gòu)，將激光有效地耦合至光纖內(nèi)部[4]。為了制作出高縱橫比（Aspect Ratio）的光纖微透鏡，通常都是先將光纖研磨成常用的楔形后再熔燒成為圓柱形光纖微透鏡。但由于光纖纖核與纖殼在材料上的差異，熔燒過后的楔形光纖容易產(chǎn)生中間凹陷現(xiàn)象，為了解決這個凹陷的問題，需要制作橫截面為菱形的四角錐形光纖結(jié)構(gòu)，使光纖中心的纖核部份突出，避免了熔燒后的凹陷產(chǎn)生。此外透過菱形橫截面長寬比的調(diào)整，可以制作出高縱橫比的橢圓形光纖微透鏡，如圖1所示。

四面錐光纖端面微透鏡制造需要研磨四個錐面和尖點，其尺寸規(guī)格主要靠操作者的熟練程度來保證四個錐面的角度，成品率低。研究中設計出一種新型的結(jié)構(gòu)裝置，利用CCD來控制光纖微透鏡研磨的輪廓精度，通過計算機圖像處理的不同算法來控制環(huán)境因素對研磨光纖研磨時的影響，從而控制研磨效果。實驗裝置包括CCD、計算機、數(shù)據(jù)采集卡、光纖研磨機等，如圖2所示。

新型裝置把CCD設立于光纖的側(cè)面，用來檢測光纖微透鏡在研磨過程中的實時輪廓。每個斜面在研磨時加工時擁有不同的輪廓圖像，通過CCD獲取光纖微透鏡的幾何圖像，檢測光纖微透鏡研磨斜面的去除量和輪廓，結(jié)合圖像處理算法的優(yōu)化，來控制四面錐光纖微透鏡的表面輪廓和斜面角度，來滿足高功率激光模塊與單模光纖的耦合。在波長980nm下單模光纖模場直徑分別為4μm和5.7μm，衰減為3.0dB/km和1.3dB/km，纖核和纖殼的偏軸量分別為0.1μm和0.5μm，四面錐光纖的研磨順序是：先讓光纖固定傾斜角度θ，分別固定旋轉(zhuǎn)0°、φ、180°、180°+φ的四個位置上研磨出四個對等斜面。

2 關鍵技術

經(jīng)實驗證明，在線檢測系統(tǒng)可以較好解決如下問題：

2.1 研磨顆粒和灰塵對圖像精度的影響

在加工過程中產(chǎn)生小顆粒，另外空氣中也不可避免地存在灰塵。而這些小顆粒將會集聚在光纖端面和研磨盤的接觸點上，影響圖像檢測到的光纖端面輪廓，導致錯誤的檢測效果。

2.2 研磨盤的平整度和剛度對圖像的影響

研磨盤的不平整和剛度的不足會對光纖的圖像產(chǎn)生嚴重的影響，加工過程中研磨盤的旋轉(zhuǎn)，如果研磨盤不平整會導致光纖上下顫動。如果剛度不足，當光纖端面壓在研磨盤上時，會使光纖端面小部分陷入里面，導致CCD圖像產(chǎn)生錯誤的檢測結(jié)果。

2.3 研磨力使光纖變形對圖像的影響

在加工過程中，研磨壓力使光纖端面與研磨接觸處有一定的作用力。研磨時把持光纖機構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)，不可避免地會使光纖產(chǎn)生彎曲變形。

2.4 光纖把持機構(gòu)的設計和精度控制

光纖端面微透鏡有嚴格的性能規(guī)格，各面角度及關系有一定的要求。把持機構(gòu)的控制精度必須滿足要求，把持機構(gòu)滾珠絲杠以及其機構(gòu)需要適合微小角度的控制。

3 結(jié)語

使用CCD在線檢測裝置檢測光纖微端面微透鏡的研磨加工，其1μm的精度能夠滿足光纖微透鏡的性能規(guī)格要求，擺脫光纖微透鏡加工對工人熟練程度的依賴。另外采用特殊的圖像處理算法來解決圖像處理的精度，同時選定特定點進行測量，消除外界環(huán)境因素對測量精度的影響。此在線檢測系統(tǒng)制造簡單，通過開發(fā)專業(yè)軟件，無須專用設備制作，易于形成產(chǎn)業(yè)化，特別適合于光纖連接器企業(yè)采用，對于增強企業(yè)的市場競爭力、提高企業(yè)經(jīng)濟效益有積極作用。

參考文獻

[1]E. Desurvire， J. R. Simpson， and P. C. Becker， “High-Gain Erbium-Doped Traveling-Wave Fiber Amplifier， ” Optics Letters， vol.12， pp. 888-890，1987.

[2]S. B. Poole， D. N. Payne， R. J. Mears， M. E. Fermann， and R. I. Laming，“Fabrication and Characterization of Low-Loss Optical Fibers Containing Rare-Earth Ions， ” Journal of Lightwave? ?Technology， vol.LT-4， pp. 870-876，1986.

[3]W. J. Miniscalco， “Erbium-doped glasses for fiber amplifiers at 1500 nm， ” Journal of Lightwave Technology， vol.9，pp.234-250，1991.

[4]劉君文，何興道.光纖連接器制作中的端面處理技術[J].光纖與電纜及其應用技術，2007（3）：21-25.

Development of On-Line Measuring System for Precision Grinding of Fiber Microlenses

YU Guo-liang

（Technical College of Zhejiang Normal University，Jinhua Zhejiang? 321000）

Abstract：CCD is used to detect the removal of the grinding incline of the fiber microlenses， and image processing algorithm is optimized to control the surface profile and incline angle， so as to meet the coupling between high power laser module and single mode optical fiber. On-line detection ensures that the fiber microlenses meets the performance specifications and processing efficiency， and realizes mass production.

Key words：CCD; fiber microlenses; grinding; on-line detection