基于在線監(jiān)測平臺拋磨光纖傳輸特性的研究*

梁海堅(jiān)，黃 剛，鄭來芳，呂玉良

(太原工業(yè)學(xué)院 電子工程系，山西 太原 030008)

0 引言

拋磨光纖通常是在去除涂覆層的光纖上，使用物理方法改變包層的厚度，得到包層厚度不同的光纖。由于被處理的位置包層厚度明顯變小，而未處理的部分依然是圓柱形[1,2]，其橫截面近似于大寫字母“D”。D型光纖與拋磨光纖的區(qū)別在于：D型光纖是由D型預(yù)制棒拉制而成的[3,4]，整根光纖的橫截面全為D型，拋磨光纖則只有拋磨區(qū)的橫截面是D型。對于光纖的拋磨有很多種方法，例如V型槽法[5]、輪式拋磨法[6]等方法。光纖包層被拋磨一部分后，光能量很容易從纖芯部分泄露出去，導(dǎo)致光功率損耗增大。通過對光泄漏的控制和利用，能夠做出各種用途的光纖器件[7-13]。光纖器件有較低的插入損耗、較小的背向反射以及易于熔接的特點(diǎn)[14]，同時(shí)價(jià)格低廉，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。

制作光纖器件，適當(dāng)?shù)膾伳ス饫w是關(guān)鍵，因此急需對拋磨深度與光能量的泄漏關(guān)系進(jìn)行研究。因此，本文搭建了光功率損耗在線監(jiān)測平臺，并對拋磨過程中光功率損耗與拋磨深度關(guān)系進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)方案及過程

實(shí)驗(yàn)中對康寧SMF-28單模光纖進(jìn)行拋磨，光纖的包層直徑為125μm，纖芯直徑為8μm。去除涂覆層，使用無水乙醇擦拭拋磨部分，之后采用7000目的砂紙對光纖進(jìn)行拋磨，拋磨掉35μm后，使用12000目砂紙進(jìn)行拋磨，拋磨到剩余75μm為止。拋磨過程中，光纖一端連接ASE光源，另一端與光功率計(jì)或光譜儀相連接，實(shí)現(xiàn)光功率或光譜的測量，中間通過固定的帶凹槽的滑輪來承載光纖，拋磨系統(tǒng)連接示意如圖1所示。

圖1 拋磨系統(tǒng)連接圖

實(shí)驗(yàn)前，首先設(shè)置拋磨參數(shù)，完成后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中每隔5分鐘停止拋磨，使用無水乙醇對拋磨區(qū)進(jìn)行擦拭，待穩(wěn)定后使用拋磨系統(tǒng)自帶的CCD測量系統(tǒng)對剩余光纖厚度進(jìn)行測量，同時(shí)記錄此時(shí)的光纖光譜圖。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 拋磨光纖視圖

拋磨完成后，使用顯微鏡對拋磨光纖剖面圖進(jìn)行了獲取，有明顯的“D”型輪廓。顯微鏡下視圖如圖2中所示。圖中較亮的圓圈即為纖芯，可見纖芯部分比較亮，說明纖芯透光率較好。光纖拋磨后，被拋磨面上會出現(xiàn)粗糙的劃痕，可以觀察到有明顯的顆粒感，在顯微鏡下觀察到的拋磨面如圖3所示。光纖拋磨前后對比如圖4所示。在圖4(a)上可以看到，光纖拋磨前包層分布均勻，圖中較亮的部分為纖芯，處于光纖中心位置；由圖4(b)可看到，在薄層剩余厚度為75μm時(shí)，拋磨后包層厚度減小，纖芯部分仍然較亮，但是亮度有所減小。

圖2 拋磨光纖剖面圖 圖3 拋磨區(qū)顯微視圖

圖4 光纖拋磨前后對比

2.2 剩余厚度與光功率損耗關(guān)系

在光纖拋磨階段，使用光功率計(jì)與光纖尾端連接，在光波長為1310 nm時(shí)，不同拋磨深度的光功率損耗如圖5所示。在圖中可以看到，剩余厚度大于85μm，光纖的損耗幾乎為0，說明此時(shí)還未發(fā)生光能量損失。包層的剩余厚度10μm時(shí)，光泄漏量開始增大，測量到的光損耗迅速增加，拋磨至接近纖芯表面時(shí)損耗達(dá)到最大。同時(shí)，從圖上可以看到，拋磨過程中光功率損耗并不是線性增加的，而是一個(gè)逐漸增加的過程，光功率泄漏最大可達(dá)-27dB左右。

2.3 光功率損耗光譜

光纖在拋磨中，隨著包層厚度的不斷減小，光功率損耗在不斷變大，不同拋磨剩余厚度所對應(yīng)的透射光譜如圖6所示。與光功率計(jì)測量結(jié)果相吻合，1250～1600 nm波段損耗幾乎為零。剩余厚度為81.4μm時(shí)損耗開始明顯增加，并且1250～1600 nm波段損耗都在同時(shí)增加。

當(dāng)包層拋磨掉52μm，剩余包層厚度為5μm，此時(shí)光泄漏量開始增加，并隨著包層剩余厚度的減小。從圖上可看到，剩余厚度從72.763 μm開始，每近似拋磨1 μm，拋磨損耗功率不斷變大，并且每兩次拋磨前后損耗功率的差值也在不斷變大。拋磨光纖剩余厚度為67.887 μm時(shí)，開始出現(xiàn)不同波長的光透射功率不同的現(xiàn)象，拋磨光纖剩余厚度為66.631 μm時(shí)，此現(xiàn)象尤為明顯，波長為1325 nm和1537 nm的光泄漏量尤其大，說明剩余包層厚度變小時(shí)，此波長的光容易泄漏出去。拋磨光纖剩余厚度為65.509 μm時(shí)，出現(xiàn)1310～1345 nm波段光泄漏量變大的現(xiàn)象，由此推測，對于此光纖包層變小時(shí)，此波段的光更容易泄漏。繼續(xù)拋磨0.6 μm后，發(fā)現(xiàn)1275～1400 nm波段的光功率相比前次有增加，1400～1600 nm依然繼續(xù)降低。

圖5 波長為1 310 nm時(shí)光功率損耗與拋磨深度關(guān)系

圖6 不同剩余厚度透射光譜

3 結(jié)束語

本文對拋磨光纖過程建立在線監(jiān)測系統(tǒng)，并且利用光譜儀和光功率計(jì)對拋磨過程中光功率損耗進(jìn)行了在線監(jiān)測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對此光纖在拋磨過程中，包層厚度大于10μm時(shí)，光功率損耗很小，而當(dāng)包層厚度逐漸變小，隨著拋磨深度的增加，光功率損耗會逐漸增大，直到拋磨至纖芯位置時(shí)達(dá)到最大-27dB。通過對拋磨過程光功率損耗的研究，獲得了拋磨區(qū)域長為10 mm時(shí)，光功率損耗與拋磨深度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)光功率損耗隨拋磨深度成非線性變化。通過對光功率與拋磨深度關(guān)系的研究，同時(shí)利用對光泄漏功率的監(jiān)測，可以制作出符合光纖傳感要求的拋磨光纖。