光纖無源器制作實驗教學

王曉娜,張 冉,丁 一,宋世德

(1.大連理工大學 物理學院,遼寧 大連 116024；2.大連理工大學 建設工程學部,遼寧 大連 116024)

光學實驗課程是光學相關專業(yè)學生由理論邁向?qū)嵺`的第一步,讓學生把所學知識運用到實踐中去,培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力[1-6]。傳統(tǒng)的光學實驗課程由于設備等因素限制,教師上課講授時間較長,學生動手時間較短,學生實際動作操作少,對很多概念不能深入理解[7]。為此本文設計了基于光纖接頭制作及性能檢測的實驗,以FC型光纖連接器的制作和性能檢測實驗為例進行了詳細介紹。

1 FC型光纖連接器簡介

FC型光纖連接器是由日本NTT公司研制的一種常見光纖連接器。如圖1所示,FC型光纖連接器具有金屬保護殼,使用螺絲扣作為緊固方式[8-10]。初期其連接器的陶瓷插針端面采用平面設計,容易受到灰塵等干擾,難以提高回波損耗,后改進為微球形端面,其他部位不做改變,使得插入損耗和回波損耗性能有了明顯的提高。

圖1 FC型光纖連接器

FC型光纖連接器制作和性能檢測實驗是操作要求較高的一個實驗,實驗要求學生能掌握FC型光纖連接器制作過程中安裝零配件、上膠固化、端面研磨、性能指標檢測這4個步驟,完成一個完整的FC光纖連接器制作,并對影響光纖性能較大的端面研磨和性能分別進行檢測,要求學生獨立完成并寫出實驗報告。

2 實驗儀器

FC型光纖連接器的零配件和光纖,光纖端面顯微鏡、FibKey7602回損/插損測試儀,HT-2010型光纖連接器固化儀,Connect-Chek-CC6000型干涉儀,MCP12-60光纖研磨機,8218-H環(huán)氧樹脂A、B膠，米勒鉗，縱向光纖剝離鉗，凱夫拉剪刀。圖2給出了一些儀器的實物圖。

圖2 儀器實物圖

3 光纖連接器制作過程介紹

本實驗利用FC型光纖連接器的零配件制作光纖連接器。截取所需長度的單模光纖,將光纖連接器零配件按順序裝配至光纖上,用米勒鉗將光纖外層剝離適合的長度,使用凱夫拉剪刀去除多余的凱夫拉線,使用縱向光纖剝離鉗去除光纖涂敷層,露出裸光纖后用酒精擦洗備用；將環(huán)氧樹脂A、B膠混合后用針頭注入陶瓷插針內(nèi),直至插針頂部出現(xiàn)膠包；將裸光纖慢慢穿入陶瓷插針,放置到固化儀上固化；固化完成后用切刀或者刀片去除插針上多余的裸光纖；將插針按要求放置在光纖研磨機上,分別用30、6、3、1 μm細度的專用砂紙研磨,最后用ADS拋光紙拋光；研磨結(jié)束后將光纖連接器的金屬外套和內(nèi)套擰合在一起,調(diào)整尾套位置,按照上述過程,完成光纖另一頭的接頭制作。

4 光纖連接器主要性能參數(shù)

光纖連接器的主要性能參數(shù)包括插入損耗、回波損耗[11]。插入損耗是指光通過連接器輸出后,輸出光功率相對于輸入光功率的比率分貝數(shù),表達式如下式:

式中，IL表示插入損耗,Pi表示輸出光功率,Po表示輸入光功率。

回波損耗是指連接器反射光的功率相對于輸入光功率的比率分貝數(shù),表達式如下:

式中，RL表示回波損耗,Pr表示反射的光功率。

插入損耗和回波損耗使用回損/插損測試儀精確測量。測量時,首先將測試儀電源開關打開預熱10 min,使激光光源輸出逐步穩(wěn)定；然后按下REF鍵,將標準跳線的標準端接入右邊的光接口,并長按dB鍵,使插損值歸零；再通過法蘭將被測跳線的一端和標準線連接,另一端連接至測試儀左端光接口。這時測試儀右顯示屏將顯示插入損耗,將被測跳線用細柱纏繞4～5圈,即可在讀測試儀左屏讀出回損值。

光纖連接器端面還有3個重要參數(shù):端面曲率半徑、頂點偏移量、纖芯高度[12]。這3個參數(shù)作為端面幾何技術(shù)指標對于光纖連接器的高精度連接具有重要意義。在實驗中使用CC6000型干涉儀對這3個參數(shù)進行測量[13],操作時將連接器插入測試口,按下止動桿,打開電腦上的測試軟件,按下測試鍵,然后讀取數(shù)據(jù)。

5 操作細節(jié)和注意事項

在光纖的零件裝配過程中,剝離出的裸光纖長度1.5 cm左右,過長會容易折損,過短則不能穿過陶瓷插針。由于陶瓷插針中間的插孔與裸光纖貼合的很緊密,裸光纖沾染灰塵顆粒之后很難穿過陶瓷插針,學生在操作時都會覺得很困難,因此操作前需要用純酒精擦洗裸光纖,待酒精揮發(fā)完畢后再進行。

環(huán)氧樹脂A、B膠在混合時應防止生成氣泡,混合后大約有1 h的氧化時間；上膠后固化儀固化時間在約0.5 h。為提高學生的實驗操作效率,可在裝配的同時先將固化儀溫度調(diào)好,待學生完成零件裝配步驟后直接進行后續(xù)的研磨和檢測操作,然后直接放入固化儀中固化。

實驗配備了光纖端面顯微成像設備。圖3為不同細度砂紙按步驟研磨后在顯微鏡下拍攝的光纖連接器端面圖。使用30 μm砂紙研磨的目的是為了把殘留在插針頂端的膠水去掉,因此研磨時間不可過長,以免粗的砂紙顆粒在端面形成深的劃痕。6、3、1 μm砂紙的研磨時間嚴格按照說明書進行,而ADS拋光紙的拋光時間可適當延長到2 min以上。

圖3 光纖連接器端面圖

6 教學實驗效果和問題討論

表1給出了某學生實驗時所研磨的8個光纖連接器的結(jié)果。根據(jù)標準,曲率半徑范圍是10～25 mm,頂點偏移范圍小于50 μm,光纖高度范圍是±100 nm,插入損耗應小于0.3 dB,回波損耗應大于45 dB。由數(shù)據(jù)可以看出，曲率半徑、頂點偏移、光纖高度、回波損耗4個參數(shù)中只有8號的連接器頂點偏移量過大,這直接導致了其插入損耗偏大。4號和6號插入損耗偏大,經(jīng)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)是由端面研磨時留下的不同程度的劃痕所致。

表1 光纖連接器性能檢測結(jié)果

對多位學生的實驗結(jié)果進行統(tǒng)計表明,實驗結(jié)果的問題主要集中在插入損耗值偏大。除幾何因素外,插入損耗值偏大主要是由于研磨過程中操作不規(guī)范造成的。圖4給出了幾位學生研磨后顯微鏡下光纖端面圖。A圖截面整體效果完好,但外層面出現(xiàn)了大量點狀小缺陷,此類缺陷往往是由ADS拋光紙長期使用折損后引起的,更換拋光紙即能解決此類問題。B圖中偏左側(cè)出現(xiàn)淺痕,其余部位研磨良好,出現(xiàn)這類問題是由于30 μm砂紙研磨時間過長導致的。C圖中間不可擦除的深色物質(zhì)則是因為30μm砂紙去膠研磨時間不夠,導致了膠水在端面殘留。D圖中外層表面顆粒物一般為可擦除的污漬,使用擦鏡紙擦拭后插損即會有改善。

圖4 連接器端面圖

7 結(jié)語

該光纖無源器制作與性能測試實驗的設計吸取了優(yōu)秀的傳統(tǒng)教學經(jīng)驗,利用現(xiàn)代化的教學設備,可更好地讓學生在實驗中加深對理論知識的理解,激發(fā)學生實驗興趣。教學實踐表明,該實驗學生能直觀地觀察制作效果，達到了預期的教學效果。

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