光纤耦合器的发展与制作PPT讲稿.ppt

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1、光纤耦合器的发展与制作第1页，共96页，编辑于2022年，星期五光纤耦合器光纤的发展光纤无源器件的蓬勃发展耦合器件种类及应用熔锥型光纤耦合器的制作新型熔锥型光纤耦合器件的展望新型熔锥型光纤耦合器研究第2页，共96页，编辑于2022年，星期五一、光纤的发展1.光纤的诞生2.光纤的构造与分类3.光纤传光原理4.光纤光缆的制作第3页，共96页，编辑于2022年，星期五1、光纤的诞生在光纤出现之前，人们一直在追寻一种性能稳定的，廉价的，方便使用的介质来传输光信号。最初人们认识到光的直线传播，反射特性后除了利用大气做为波导，还开始采用各种介质利用作为光的传输介质。例如介质透镜、反射镜波导、气体透镜波导等

2、，使光束限制在一定范围内并沿确定路线传播。在半导体激光器和集成光路中用到的平面型介质波导也被尝试作为光波导使用，由于制作成本高，工艺复杂，不适于大量铺设。能不能象电信号依靠铜缆传输一样，找到一种光波导来实现光信号廉价、低损耗的稳定传输呢？第4页，共96页，编辑于2022年，星期五1、光纤的诞生早在古希腊的玻璃制作工人就发现玻璃可以传输可见光，他们利用玻璃的这种性质，制作了各种流光异彩的玻璃工艺品。十九世纪中期英国的丁达尔(J.Tyndall)利用实验证明利用光的全反射原理，光线在水中可以实现弯曲传播。第5页，共96页，编辑于2022年，星期五1、光纤的诞生1927年英国的贝尔德(J.G.Bai

3、rd)提出利用光的全反射现象制成石英光纤，从此以后人们把注意力集中到石英这种材料上。早期的光纤只有纤芯，利用空气石英构成的界面实现光线的全反射，由于这种结构的开放性，经常引起光线的泄漏。为解决这一问题人们实验在玻璃纤维上涂覆塑料，以降低光线的泄漏同时对玻璃芯起一定的保护。这时初步形成了光纤纤芯包层结构，但由于塑料包层难以做到均匀一致，而且塑料包层与玻璃纤芯之间界面不够平滑理想，光能量损失很大。第6页，共96页，编辑于2022年，星期五1、光纤的诞生1955年，美国人B.I.Hirschowitz(西斯乔威兹)把高折射率的玻璃棒插在低折射率的玻璃管中，将它们放在高温炉中拉制，得到玻璃(纤芯)玻璃

4、(包层)结构的光纤，解决了光纤的漏光问题，这一结构在后来被广泛采用，就是今天的光纤结构。但这时的光纤损耗是非常大高于1000 dB/km，即使是利用优质的光学玻璃制作光纤也无法得到低损耗的光纤。人们曾经一度对玻璃这种材料产生怀疑，转向塑料光纤、液芯光纤的研制。第7页，共96页，编辑于2022年，星期五 1966年，英英 籍籍 华华 裔裔 学学 者者高高 锟锟(C.K.Kao)和和 霍霍 克克 哈哈 姆姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通信光纤通信的基础。指指明明通通过过“原

5、原材材料料的的提提纯纯制制造造出出适适合合于于长长距距离通信使用的低损耗光纤离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向这一发展方向第8页，共96页，编辑于2022年，星期五光纤通信发明家光纤通信发明家高锟高锟(左左)1998年在英国接受年在英国接受IEE授予的奖章授予的奖章第9页，共96页，编辑于2022年，星期五2、光纤标准通信用光纤经过二十几年的发展形成了一系列标准。ITU-T国际电信联盟目前将单模光纤分为G.652（G.652A、G.652B、G.652C和G.652D）、G.653（G.653A和G.653B）、G.654（G.654A、G.654B和G.654）、G.655（G.655A、

6、G.655B和G.655C）以及用于S+C+L三波段传输的G.656光纤（标准名称为宽带光传输用非零色散单模光纤和光缆特性）第10页，共96页，编辑于2022年，星期五按照零色散波长将单模光纤分为6种非色散位移光纤：G.652色散位移光纤：G.653截止波长位移光纤：G.654非零色散位移光纤：G.655色散平坦光纤色散补偿光纤第11页，共96页，编辑于2022年，星期五3、光纤的构造纤芯，光信号的传输 包层，限制光信号溢出 一次涂敷层（预涂层），保护光纤增加韧性 缓冲层，减少对光纤的压力二次涂敷层（套塑层），加强光纤的机械强度第12页，共96页，编辑于2022年，星期五纤芯：位于光纤中心部位

7、，主要成分是高纯度的SiO2,纯度可达99.99999%，其余成份为掺入极少量掺杂剂，如P2O5和GeO2，掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率。纤芯直径一般为2a3100m包层：含有少量掺杂剂的高纯度SiO2,掺杂剂有氟或硼，其作用是降低包层折射率，包层直径2b125140m一次涂层：厚度540m，材料一般为环氧树脂或硅橡胶，可承受7kg拉力缓冲层：厚度100m二次涂敷层：原料大都采用尼龙或聚乙烯1层2层光纤345层护层5层大约0.9mm左右第13页，共96页，编辑于2022年，星期五3、光纤的分类1从原材料分：石英系光纤多组份玻璃光纤氟化物光纤塑料光纤液芯光纤掺杂光纤，如掺铒光纤 由于石英系光纤

8、具有传输衰减小，通信频带宽，机械强度较高等特点，在通信系统中得到广泛应用。第14页，共96页，编辑于2022年，星期五光纤分类2按照光纤横截面上折射率分布特征n(r)分：阶跃型光纤，也称突变型光纤（常用SI表示Step Index fibber）纤芯与包层的折射率均为一常数，其界面处呈阶跃式变化。渐变型光纤，也称梯度光纤或自聚焦光纤（常用GI表示Graded Index fibber）纤芯折射率连续变化，包层的折射率则为一常数。W型光纤 等第15页，共96页，编辑于2022年，星期五ba0abba0abn(r)n(r)n1n1n2n2阶跃型光纤渐变型光纤 n1 r a n1 1-2(r/a)g

9、 1/2 r a n2 a r b n2 1-2 1/2 a 2m 短波长与长波长光纤为石英系光纤，而超长波长光纤为非石英系光纤，如重金属氧化物、硫硒碲化合物和卤化物光纤等第19页，共96页，编辑于2022年，星期五3、光纤的传光原理 分析光纤的传输原理有两种方法：几何光学法：将光看成一条条的几何射线来分析，也称射线理论 应用条件：光波的波长远小于光纤的几何尺寸，只适用于多模光纤波动光学法：光波按电磁场理论，用麦克斯韦方程组求解，也称模式理论。它既可用于多模光纤，也可用于单模光纤第20页，共96页，编辑于2022年，星期五4 光纤光缆制造技术光纤光缆制造技术选材的准则：1.能拉长、拉细、具有一

10、定的柔韧性、可卷绕2.在特定波长损耗低3.能使纤芯的折射率略高于包层，满足波导条件按材料分类：1.无源玻璃纤维；2.有源玻璃纤维；3.塑料纤维4.1 光纤材料光纤材料第21页，共96页，编辑于2022年，星期五无源玻璃纤维无源玻璃纤维玻璃纤维的主材：SiO2-物理和化学稳定性好-对通信光波段的透明性好折射率差的引入：通过在SiO2中掺入不同杂质增加非线性效应：通过掺入硫属元素GeO2-SiO2纤芯，SiO2包层P2O5-SiO2纤芯，SiO2包层SiO2纤芯，B2O3-SiO2包层在0.28m具有极低损耗SiO2中掺GeO2或P2O5，折射率增加SiO2中掺氟或B2O3，折射率减小典型组合：1

11、、GeO2-SiO2纤芯，SiO2包层2、P2O5-SiO2纤芯，SiO2包层3、SiO2纤芯，B2O3-SiO2包层4、GeO2-B2O3-SiO2纤芯，B2O3-SiO2包层第22页，共96页，编辑于2022年，星期五卤化物玻璃纤维卤化物玻璃纤维红外光纤（氟化物光纤）红外光纤（氟化物光纤）：低损耗范围：0.28m，最低损耗窗口：2.55 m，理论最小损耗：0.010.001dB/km。缺点：不成熟，性能不稳定有源玻璃纤维有源玻璃纤维掺稀土光纤：掺稀土光纤：在SiO2中掺入稀土元素实现光放大（或吸收），如：掺铒光纤（EDF）、掺钕光纤。硫属化合物玻璃纤维硫属化合物玻璃纤维非线性光纤：非线性光

12、纤：用作非线性光学器件。如：As40S58Se2纤芯As2S3包层第23页，共96页，编辑于2022年，星期五塑料光纤（塑料光纤（POF）参数有机玻璃POFPMMA POF加氟聚合物POFPFP POF纤芯直径0.4mm0.1250.3mm包层直径1mm0.250.6mm数值孔径0.250.2损耗150dB/km 650nm6080dB/km 6501300nm带宽2.5Gb/s,100km2.5Gb/s,300km特点：特点：更好的韧性、更耐用，可用于环境恶劣的场合低成本、低续接成本损耗比玻璃纤维高，一般用于短距离传输使用范围还十分有限，主要用于接入网第24页，共96页，编辑于2022年，星

13、期五4.2 光纤制造光纤制造两种基本方法1.直接熔化法：按传统制造玻璃的工艺将处在熔融状态的石英玻璃的纯净 组分直接制造成光纤2.汽相氧化过程：-高纯度金属卤化物(如SiCl4和GeCl4)与氧反应生成SiO2微粒 -(通过四种不同的方法)将微粒收集在玻璃容器的表面 -烧结(在尚未熔化的状态将SiO2转化成玻璃体)制成预制棒 -拉丝成纤第25页，共96页，编辑于2022年，星期五直接熔化法：双坩埚法纤芯坯料棒 内坩埚包层坯料棒纤芯玻璃外坩埚熔炉 拉制光纤 (到拉丝机)包层玻璃直接熔化法：可用于制造石英光纤、卤化物光纤和硫属光纤具有可连续制造的优点但坯料棒熔化过程中容易带来杂质，它的最低损耗值为

14、5 dB/km第26页，共96页，编辑于2022年，星期五光纤预制棒置备好之后进行光纤拉丝光纤拉丝机d=1025 mm;L=60120 cm精密输送机构夹具预制棒拉丝炉光纤粗细监测仪裸光纤涂覆机 已涂覆光纤光纤卷绕第27页，共96页，编辑于2022年，星期五汽相氧化法：外部汽相氧化法(OVPO)O2+SiCl4+GeCl4蒸汽饵棒(中心棒)粉层状预制棒喷嘴玻璃微粒粉层沉积粉状预制棒剖面芯包层粉状预制棒加热炉 1400度玻璃预制棒预制棒烧结拉制光纤加热炉玻璃预制棒1970年 康宁 第一根损耗小于20 dB/km的光纤第28页，共96页，编辑于2022年，星期五汽相轴向沉积法(VAD)推进机 马达

15、马达输送杆透明预制棒容器环状加热器疏松的预制棒真空泵红外热成像仪玻璃微粒反应室 喷灯口优点：1.预制棒不再具有空洞2.预制棒可以任意长3.沉积室和熔融室紧密 相连，可以保证制作 环境清洁4.单模光纤所含的OH-较低，因此损耗较低 在0.20.4 dB/km1977年日本开发第29页，共96页，编辑于2022年，星期五改进的化学汽相沉积法(MCVD)反应物质金属卤化物蒸汽+氧气粉尘状生成物排气口饵管 烧结后的玻璃粉层沉积物来回移动的喷灯贝尔实验室设计，用于制造低损耗梯度折射率光纤烧结后，纤芯由汽相沉积材料构成，包层由原始的石英管构成H-O化学反应:第30页，共96页，编辑于2022年，星期五等离

16、子体活性化学汽相沉积法(PCVD)熔融石英管SiCl4+O2+参杂物质反应物质排气口等离子体玻璃层快速来回移动的微波谐振腔(2.45 GHz，8米/分钟)10001200度飞利浦提出1978年应用于量产直接玻璃沉积不需高温烧结反应管不易变形快速移动，使沉积厚度减少，有利于控制折射率分布沉积效率高、沉积速度快有利于消除包层沉积过程中的微观不均匀第31页，共96页，编辑于2022年，星期五几点关键为了防止石墨在高温下氧化，充入氩气等惰性气体加以保护。送棒机构与牵引辊的速度要一致，以保持光纤外径的均匀性。激光测径，紫外固化外径的波动控制在0.5微米之内。拉丝的速度可以调整，600m/min1000m

17、/m预制棒体积：Vpreform=D2L/4,D:mm,L:mm光纤体积：Vfiber=d2l/4,d=125 um拉丝长度l：Vpreform=Vfiber l=6.4 10-5D2L (km)拉丝原理：拉丝原理：保持芯/包层结构不变！第32页，共96页，编辑于2022年，星期五4.3 光纤的机械和温度特性光纤的机械和温度特性1)光纤的抗拉强度很高，接近金属的抗拉强度2)光纤的延展性(1%)比金属差(20%)3)当光纤内存在裂纹、气泡或杂物，在一定张力下容易断裂4)包层中掺入二氧化钛可以增强机械可靠性5)光纤遇水容易断裂且损耗增大6)在低温下损耗随温度降低而增加第33页，共96页，编辑于20

18、22年，星期五 光纤的机械特性主要包括耐侧压力、抗拉强度、弯曲以及扭绞性能等，使用者最关心的是抗拉强度。（1）光纤的抗拉强度 光纤的抗拉强度很大程度上反映了光纤的制造水平。影响光纤抗拉强度的主要因素是光纤制造材料和制造工艺。预制棒的质量。拉丝炉的加温质量和环境污染。涂覆技术对质量的影响。机械损伤。光纤的机械特性第34页，共96页，编辑于2022年，星期五 （2）光纤断裂分析）光纤断裂分析 存在气泡、杂物的光纤，会在一定张力下断裂，如图所示。光纤断裂和应力关系示意图第35页，共96页，编辑于2022年，星期五 （3）光纤的寿命）光纤的寿命 光纤的寿命，习惯称使用寿命，当光纤损耗加大以致系统开通困

19、难时，称其已达到了使用寿命。从机械性能讲，寿命指断裂寿命。（4）光纤的机械可靠性）光纤的机械可靠性 一般来说，二氧化硅包层光纤的机械可靠性已经得到广泛的认可。为了提高光纤的机械可靠性，在光纤的外包层中掺入二氧化钛，从而增加网络的寿命。第36页，共96页，编辑于2022年，星期五 光纤的温度特性，是指在高、低温条件下对光纤损耗的影响，一般是损耗增大。如图所示。光纤低温特性曲线光纤的温度特性第37页，共96页，编辑于2022年，星期五4.4 成缆对光纤特性的影响a.光缆的构造 缆缆芯芯:在光缆的构造中，缆芯是主体，其结构是否合理，与光纤的安全运行关系很大。一般来说，缆芯结构应满足以下基本要求：光纤

20、在缆芯内处于最佳位置和状态，保证光纤传输性能稳定，在光缆受到一定的拉力、侧压力等外力时，光纤不应承受外力影响；其次缆芯内的金属线对也应得到妥善安排，并保证其电气性能；另外缆芯截面应尽可能小，以降低成本和敷设空间。护护层层:光缆护层同电缆护层的情况一样，是由护套和外护层构成的多层组合体。其作用是进一步保护光纤，使光纤能适应在各种场地敷设，如架空、管道、直埋、室内、过河、跨海等。对于采用外周加强元件的光缆结构，护层还需提供足够的抗拉、抗压、抗弯曲等机械特性方面的能力。第38页，共96页，编辑于2022年，星期五b.光缆特性光缆特性抗拉力特性 光缆能承受的最大拉力取决于加强构件的材料和横截面积，一般

21、要求大于1 km光缆的重量(多数光缆在100400kg范围).抗压特性 光缆能承受的最大侧压力取决于护套的材料和结构，多数光缆能承受的最大侧压力在100400kg/10cm。弯曲特性 弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折射率差以及光缆的材料和结构。温度特性第39页，共96页，编辑于2022年，星期五c.成缆对光纤特性的影响成缆对光纤特性的影响改善光纤的温度特性 虚线：光纤自身的特性曲线；实线：成缆后的特性曲线增加机械强度 由于光缆结构中加入了加 强构件、护套、甚至铠装 层等，因此其断点强度远 大于光纤；不仅如此，光 缆的抗侧压、抗冲击和抗 扭曲性能都有明显增强成缆的附加损耗 不良的成缆工艺，把

22、光纤制成光缆后，会带来附加损耗，(比如说不良应力造成微弯)称之为成缆损耗第40页，共96页，编辑于2022年，星期五d.光缆的典型结构光缆的基本结构按缆芯组件的不同一般可以分为层绞式、骨架式、束管式和带状式四种。我国及欧亚各国用的较多的是传统结构的层绞式和骨架式两种。第41页，共96页，编辑于2022年，星期五光纤耦合器 光纤的发展光纤无源器件的蓬勃发展光纤耦合器的制作熔锥型光纤耦合器件种类及应用新型熔锥型光纤耦合器件的展望新型熔锥型光纤耦合器研究第42页，共96页，编辑于2022年，星期五二、光纤无源器件的蓬勃发展光纤通信元件包括有源器件和无源器件等。光纤通信的发展促进了光源、探测器等有源器

23、件的发展，同时由于工程应用的需要，各种各样的光无源器件也相应的出现。光纤的发展给光无源器件带来了新的一页。第43页，共96页，编辑于2022年，星期五二、光纤无源器件的蓬勃发展光纤无源器件包括光纤活动连接器光纤耦合器光纤衰减器光纤滤波器光纤隔离器光开关光纤环行器光纤调制器第44页，共96页，编辑于2022年，星期五无源器件耦合器（coupler）主要功能再分配光信号重要应用在光纤网络尤其是应用在局域网在波分复用器件上应用第45页，共96页，编辑于2022年，星期五无源器件耦合器（coupler）基本结构耦合器是双向无源器件基本形式有树型、星型与耦合器对应的有分路器（splitter）第46页，

24、共96页，编辑于2022年，星期五无源器件耦合器以图形表示 1423第47页，共96页，编辑于2022年，星期五三、耦合器件种类及应用按照结构分12，2 2，33，1 N，N N光耦合器双环光缓冲结构图 第48页，共96页，编辑于2022年，星期五三、耦合器件种类及应用按照结构分12，2 2，33，1 N，N N光耦合器18单模光纤耦合器的二级构造 第49页，共96页，编辑于2022年，星期五三、耦合器件种类及应用按照结构分2 2光耦合器熔锥型光纤耦合器的结构图 第50页，共96页，编辑于2022年，星期五耦合器实物图第51页，共96页，编辑于2022年，星期五三、耦合器件种类及应用按照传输波

25、长分窄带耦合器，宽带耦合器，波分复用器，波长敏感耦合器窄带耦合器，工作带宽为10 nm；宽带耦合器，工作带宽为40 nm）或不同波段的合波功能（波分复用器）第52页，共96页，编辑于2022年，星期五波分复用器WDMWavelength Division Multiplexer在一条光纤中传输多个光信号，这些光信号频率不同，颜色不同。波分复用器就是要把多个光信号耦合进同一根光纤中；解波分复用器就是从一根光纤中把多个光信号区分出来。第53页，共96页，编辑于2022年，星期五波分复用器波分复用器（图例）1传送器传送器 2传送器传送器 1+2 1+2 1接收器接收器 2接收器接收器第54页，共96

26、页，编辑于2022年，星期五第55页，共96页，编辑于2022年，星期五波分复用器二类用途一类用于通信系统，作为1300 nm和1550 nm的合波、分波器；另一类用于掺杂光纤的激光器和放大器，作为信号光和泵浦光的合波器。主要工作波长有1017/1310 nm、807/1550 nm、980/1550和1480/1550 nm等几种，其中研制1480/1550 nm的波分复用的难度最大。由于其波分间隔小(70 nm)，受到熔锥形耦合器中固有的偏振分离现象的限制，它的波长隔离一般只有15 dB左右。因此，通过这种研制工艺，要想在同一个光通信波段(1310 nm或1550 nm)，即在小于40 n

27、m的波段内实现二个以上的波分复用，似乎是不可能的。为此，McLandrich通过改变常规耦合器的拉锥工艺，首先研制成功了1550 nm波段最小波分复用间隔为16 nm的窄带波分复用器。第56页，共96页，编辑于2022年，星期五三、耦合器件种类及应用按照传输波长分窄带耦合器，宽带耦合器，波分复用器，波长敏感耦合器第57页，共96页，编辑于2022年，星期五三、耦合器件种类及应用按照偏振模式分普通耦合器，保偏耦合器保偏光纤耦合器是应用于光纤传感系统和光纤相干系统等对偏振敏感系统的重要光纤无源器件。保偏光纤耦合器的最大特点是能稳定地传输两个正交的线偏振光，并能长距离地保持各自的偏振态不变。这就为能

28、制造高性能、高精度光纤传感器和光纤惯性器件提供了条件。保偏光纤耦合器能将在一根保偏光纤中传输的线偏振光分成二路，在二根保偏光纤中传输，并保持偏振态不变，即保持仍沿主轴传输，且具有高的消光比。额外损耗、耦合比、消光比受保偏光纤自身因素影响。第58页，共96页，编辑于2022年，星期五三、耦合器件种类及应用按照偏振模式分普通耦合器，保偏耦合器保偏光纤耦合器应用。保偏光纤耦合器为相干光通信和光纤陀螺等用户的产品开发提供了甚为关键的光学器件。以国外研究非常活跃的光纤陀螺为例，保偏光纤耦合器以其无与伦比的优势取代了机械旋转质量陀螺的烦冗操作和诸多的日常维护，也克服了环形激光陀螺的锁定现象，更省去了为保持

29、小转速时的灵敏度所采取的防机械抖动措施。光纤陀螺则既便于使用又更精确，因此比起传统的陀螺，它具有更为广阔的应用前景。基于Sagnac干涉原理的干涉型光纤陀螺已成为波音777导航系统的一部分。第59页，共96页，编辑于2022年，星期五三、耦合器件种类及应用按照偏振模式分普通耦合器，保偏耦合器此外，它还可应用于小汽车、火车和船舶的导航和运动监测，如天线、摄像机的稳定器，机器人、铲车、农业机械的控制和导航，煤气、电力、通信、电缆光缆的管道测绘，航天飞机、火箭的导航。仅日本尼桑公司车辆导航系统对光纤陀螺的需求量就达每月25003000个，即2500330003个保偏光纤耦合器。播种和喷药用直升飞机每

30、年需要10003个保偏光纤耦合器。由此可见，随着相干光通信和光纤陀螺等的快速发展，保偏光纤耦合器的需求量也会与日俱增。第60页，共96页，编辑于2022年，星期五四、光纤耦合器的制作-制作方法：蚀刻法，研磨法，熔融拉锥法1.蚀刻法：最先是由Sheem和Giallorenzi发明，将两根裸光纤扭绞在一起，浸入氢氟酸中，腐蚀掉光纤四周的涂覆层和包层，从而使光纤纤芯相接近，实现两光纤间的耦合。这种方法虽然简单，但制作出来的耦合器不仅不耐用，而且对环境温度的变化很敏感，缺乏使用价值。第61页，共96页，编辑于2022年，星期五四、光纤耦合器的制作-制作方法：2.研磨法：Bergh等人发明了光纤研磨法，

31、是将每根光纤预先埋入玻璃块的弧形槽中，然后对光纤的侧面进行研磨抛光，同时监视光通量，研磨结束后，在磨面上加以小滴匹配液，再将光纤拼接，做成光纤耦合器。这种办法克服了分立元件法的一些缺点，并可做成分光比可调的耦合器（目前仍是制作这类器件的一种选择），器件的实用性也有所提高，但制作困难，成品率低，环境特性也不理想。第62页，共96页，编辑于2022年，星期五四、光纤耦合器的制作-制作方法：3.熔融拉锥法：具体是将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光的耦合。常用的加热源是氢氧焰或氢焰等，加热源有的采

32、用固定式，有的采用可移动式。这种方法可以用计算机较精确地控制各种过程参量，并随时监控光线输出端口的光功率变化，从而实现制作各种器件的目的。第63页，共96页，编辑于2022年，星期五四、光纤耦合器的制作-熔融拉锥法图3-3 耦合器输出光功率第64页，共96页，编辑于2022年，星期五第65页，共96页，编辑于2022年，星期五熔融拉锥法-设备光源夹具光探测器光纤计算机第66页，共96页，编辑于2022年，星期五四、光纤耦合器的制作-熔融拉锥法熔融拉锥工艺的加热方式熔融拉锥工艺的加热方式在国内外目前普遍采用的熔融拉锥工艺中，若按加热方式分类，可分为直接加热法、间接加热法以及介于两者之间的所谓部分

33、直接加热法三种方式。直接加热法是使用可燃气体在燃烧器中燃烧形成的火焰直接加热光纤，在加热过程中，燃烧器可以固定也可来回移动。这种加热方式的优点在于热量的利用率高，加热速度快，装置较简单，缺点是由于熔拉过程中喷灯火焰与光纤熔拉区直接接触，软化后的光纤易受火焰的冲击而产生形变，且光纤的热熔状态难以控制；熔区外径难以达到给定的设计值，影响成品率，对室内的洁净条件要求高等。第67页，共96页，编辑于2022年，星期五四、光纤耦合器的制作-熔融拉锥法熔融拉锥工艺的加热方式熔融拉锥工艺的加热方式间接加热法是让火焰对套在光纤外的石英管或陶瓷管加热，光纤通过受热石英管或陶瓷管的辐射热来熔融，此法可以克服直接加

34、热法的缺点，但须提高加热温度，增设石英管及相应的转动装置。部分直接加热法是让单喷灯火焰在开槽石英管内对光纤耦合区进行加热，与常用的单喷灯直接加热方式相比，其热场的均匀性得到改善，由于石英管壁对热气流压力的反作用和热气流流向的对称性，避免了火焰喷力对器件熔锥区形变的不利影响。第68页，共96页，编辑于2022年，星期五熔融拉锥法-设备第69页，共96页，编辑于2022年，星期五四、光纤耦合器的制作-熔融拉锥法KFFBT光纤熔融拉锥系统介绍是一种集成了光学电子学精密机械计算机等多项技术集制作检测控制等多项功能于一体的高度自动化生产系统。系统主要包括拉锥主机氢气发生器启动控制系统。制作过程完全由计算

35、机控制，可以通过任意设置分光比，改变火头位置，控制光纤拉伸速度制作各种规格的耦合器。该系统不仅可以制作各种分光比的标准光纤耦合器，而且还可以制作WDM耦合器宽带单窗口/双窗口耦合器。在这个系统中，氢气发生器用于产生氢气，为熔融拉锥提供燃料。启动控制系统是用氮气的气压作为气动开关来控制火头开关，拉锥夹具开关以及封装托架开关。而拉锥主机是利用计算机来设置、控制及监测整个熔融拉锥过程的。第70页，共96页，编辑于2022年，星期五四、光纤耦合器的制作-熔融拉锥法窄带耦合器的制作窄带耦合器的制作1.用米勒钳剥去直通臂尾端的涂覆层，插入裸纤适配器中，用红宝石切割刀沿陶瓷插芯的顶端面将裸纤截断，将裸纤适配

36、器接入光源。当“校正”界面中AD10显示超过200000时，可继续下一步操作。如小于200000，需要重新切割裸纤端面。2.在直通臂和耦合臂光纤上分别用米勒钳剥去长约20-30 mm的涂覆层，用无纺布蘸无水乙醇擦拭两遍，然后再用干无纺布擦拭一遍第71页，共96页，编辑于2022年，星期五四、光纤耦合器的制作-熔融拉锥法窄带耦合器的制作窄带耦合器的制作3.在除去涂覆层的窗口部分打结，打结时，两条光纤预备熔融的两结之间要尽量保持平行，结区长度在1 cm左右，然后打开真空泵，将光纤放置在真空吸附的夹具上，要确定两根光纤牢牢吸附在真空夹具上，直到调整到听不到真空泵的吸气声为止。使剥去涂覆层的结区部分正

37、对火焰位置。也可采用先将两根光纤平行的放置在真空吸附的夹具上，然后在夹具上打结，打结之后再调整结区位置。还可利用真空吸附夹具两端的小夹具，将两根光纤平行放置在真空吸附夹具上，将两端的小夹具扣上，旋转小夹具同样可以达到打结的目的。第72页，共96页，编辑于2022年，星期五四、光纤耦合器的制作-熔融拉锥法窄带耦合器的制作窄带耦合器的制作4.在确定准备工作完成后，盖上防护罩，点击主页面上的拉伸，计算机控制火头进火并按照设置的参数自动运行到结区正上方进行加热，同时真空夹具也按照设置的拉锥速度向两端拉伸。我们就开始熔融拉锥耦合器了。整个过程都由计算机控制与监测。这时，我们在主界面上可以同时看到直通臂、

38、耦合臂光强的变化，以及总损耗和分光比的变化。其中，粉线代表直通臂中的光功率，蓝线代表耦合臂中的光功率，红线代表总损耗，而绿线代表分光比。当达到预设分光比时，真空夹具停止拉伸，火头自动退火。如达到期望的效果(分光比和总损耗)，便可以进行封装了(封装略)。第73页，共96页，编辑于2022年，星期五四、光纤耦合器的制作-熔融拉锥法表表1 制作制作3 dB窄带耦合器参数设置窄带耦合器参数设置分光比1 13.00分光比2 41.00拉伸速度1 2500拉伸速度2 850氢流量1 66氢流量2 62第74页，共96页，编辑于2022年，星期五四、光纤耦合器的制作-熔融拉锥法熔锥型宽带光纤耦合器工艺流程熔

39、锥型宽带光纤耦合器工艺流程 第75页，共96页，编辑于2022年，星期五四、光纤耦合器的制作-熔融拉锥法制作宽带光纤耦合器实验步骤制作宽带光纤耦合器实验步骤(1)光纤的预处理：我们将检验合格的单根单模光纤在耦合段光纤的预处理：我们将检验合格的单根单模光纤在耦合段剥去剥去2030 mm的一次涂覆层并作清洁处理，然后将光纤置的一次涂覆层并作清洁处理，然后将光纤置于精密夹具上。于精密夹具上。(2)单根光纤的预拉伸：启动计算机，由计算机控制高温单根光纤的预拉伸：启动计算机，由计算机控制高温H2-O2焰喷嘴的移动和微电机的拉伸，使这单根光纤预拉到预定的长度。焰喷嘴的移动和微电机的拉伸，使这单根光纤预拉到

40、预定的长度。(3)打结：我们做好另一耦合段，并将其置于精密夹具上，再与预拉后打结：我们做好另一耦合段，并将其置于精密夹具上，再与预拉后的耦合段按图的耦合段按图4-2所示绞合，打结时要使耦合段平行且紧密相靠。所示绞合，打结时要使耦合段平行且紧密相靠。第76页，共96页，编辑于2022年，星期五四、光纤耦合器的制作-熔融拉锥法制作宽带光纤耦合器实验步骤制作宽带光纤耦合器实验步骤(4)熔融拉伸耦合段：为了进行熔融拉锥过程的监控，实行在熔融拉伸耦合段：为了进行熔融拉锥过程的监控，实行在线监测，即从一根光纤输入光功率，在直通臂和耦合臂检线监测，即从一根光纤输入光功率，在直通臂和耦合臂检测光功率。由于实现

41、在线监测，熔融拉锥过程中的能量耦测光功率。由于实现在线监测，熔融拉锥过程中的能量耦合状况清晰可见。随着耦合段的加热、熔融及拉伸，直通合状况清晰可见。随着耦合段的加热、熔融及拉伸，直通臂的功率臂的功率P1下降，耦合臂的功率下降，耦合臂的功率P2上升，计算机在达到指定的上升，计算机在达到指定的分光比时使光纤耦合段退出加热区，同时停止拉锥。分光比时使光纤耦合段退出加热区，同时停止拉锥。第77页，共96页，编辑于2022年，星期五四、光纤耦合器的制作-熔融拉锥法制作宽带光纤耦合器实验步骤制作宽带光纤耦合器实验步骤(5)封装：如此形成的双锥状耦合段是极易损坏的，为此必须立封装：如此形成的双锥状耦合段是极

42、易损坏的，为此必须立即安装石英玻璃基体以保护耦合段。把特制的石英半管放在即安装石英玻璃基体以保护耦合段。把特制的石英半管放在主机的加热托架上。点击进键，封装组件将自动移至两光纤主机的加热托架上。点击进键，封装组件将自动移至两光纤夹具之间的空档位置，准确进入已熔合的耦合器的正下方。夹具之间的空档位置，准确进入已熔合的耦合器的正下方。然后，封装组件会向上升起，直到光纤的熔合部位，将该部然后，封装组件会向上升起，直到光纤的熔合部位，将该部位从下向上包裹起来。，按下拉锥机前面板上的加热键开始位从下向上包裹起来。，按下拉锥机前面板上的加热键开始加热。待电阻丝红热时在石英半管的两端点少量的环氧树脂加热。待

43、电阻丝红热时在石英半管的两端点少量的环氧树脂胶胶(注意保持半管不动注意保持半管不动)。稍候数秒，等到胶固化好。稍候数秒，等到胶固化好(颜色变为颜色变为红褐色红褐色)后，停止加热，取出耦合器。点击触摸屏上的出键，撤回后，停止加热，取出耦合器。点击触摸屏上的出键，撤回加热托架。穿入热缩管并利用火头外部加热加热托架。穿入热缩管并利用火头外部加热(通常为了避免穿入通常为了避免穿入热缩管影响耦合器的参数，我们在制作前也可以先将热缩热缩管影响耦合器的参数，我们在制作前也可以先将热缩管穿入光纤待用管穿入光纤待用)。最后加不锈钢管封装，并用硅胶填满，再放。最后加不锈钢管封装，并用硅胶填满，再放置在置在70烘箱

44、中烘烤烘箱中烘烤2小时。小时。第78页，共96页，编辑于2022年，星期五四、光纤耦合器的制作-熔融拉锥法注意事项：在耦合器的制作过程中，要获得性能优良好的耦合器，应注意在耦合器的制作过程中，要获得性能优良好的耦合器，应注意以下几点：以下几点：耦合段的清洁处理工作要做好，以免灰尘等异物影响耦合耦合段的清洁处理工作要做好，以免灰尘等异物影响耦合段之间的功率耦合；段之间的功率耦合；两光纤放置在夹具上时，应使耦合段平行紧靠，同时，使耦两光纤放置在夹具上时，应使耦合段平行紧靠，同时，使耦合段的中部正对合段的中部正对H2-O2焰；焰；熔拉完成后，应使用性能良好的胶进行耦合器封装，以免熔拉完成后，应使用性

45、能良好的胶进行耦合器封装，以免耦合区产生应力，使耦合器的性能恶化。耦合区产生应力，使耦合器的性能恶化。仪器每次使用后都要进行复位，以免影响下一次制作。仪器每次使用后都要进行复位，以免影响下一次制作。第79页，共96页，编辑于2022年，星期五四、光纤耦合器的制作-熔融拉锥法注意事项：图4-3 光纤的绞合与放置第80页，共96页，编辑于2022年，星期五三、耦合器件种类及应用2 2光耦合器熔锥型光纤耦合器的结构图 第81页，共96页，编辑于2022年，星期五图图(a)所示定向耦合器可以制成波分复用所示定向耦合器可以制成波分复用/解解复用器。如下图所示，光纤复用器。如下图所示，光纤a(直通臂直通臂

46、)传输传输的输出光功率为的输出光功率为P1，光纤，光纤b(耦合臂耦合臂)的输出的输出光功率为光功率为P2，根据耦合理论得到，根据耦合理论得到 P1=cos2(CL)P2=sin2(CL)第82页，共96页，编辑于2022年，星期五图 光纤型波分解复用器原理 第83页，共96页，编辑于2022年，星期五下表列出波长为1.31m或(和)1.55m单模光纤型耦合器和波分复用器/解复用器的一般性能。第84页，共96页，编辑于2022年，星期五耦合器的一般性能耦合器的一般性能第85页，共96页，编辑于2022年，星期五光纤过耦合器制作与特性测试光纤过耦合器是在普通耦合器的基础上发展起来的，即在分光比达到

47、3 dB点后，继续拉锥，使器件处于过耦合状态，器件的输出特性-分光比与波长的依赖关系逐渐增强，并形成周期振荡。第86页，共96页，编辑于2022年，星期五由于采用FBT技术制作过耦合器的耦合区都非常细（微米量级），所以耦合区十分脆弱，极易断裂，需要采用与光纤材料相近的石英基板来保护（石英管与光纤的热膨胀系数极为接近）。现在的工作台有一套自动封装装置，它由封装架（Package）和二维马达构成，当熔融拉锥完成后，计算机控制二维马达运动，重复完成封装动作。封装过程要求封装架能精确复位，并能准确地到达软件设定的封装位置，即使轻微的偏差就会导致器件的插入损耗、耦合比剧烈变化。第87页，共96页，编辑于

48、2022年，星期五实验中我们观察到光纤芯径越细，过耦合现象就更明显，因此可以通过控制光纤芯径的粗细进而控制光纤过耦合器的透射波长特性。实验中火头高度、拉锥速度和拉锥周期对光纤过耦合器的透射波长有影响。第88页，共96页，编辑于2022年，星期五参数设置如下表所示分光比1 13.00%分光比2 35.00%拉锥速度1 1800 拉锥速度2 260氢流量1 60.00%氢流量2 60.00%周期 50 延时 0 s火头位置1 2200027000火头位置2 2200027000第89页，共96页，编辑于2022年，星期五测试自制的光纤过耦合器的透射波长特性，实验测得数据如图所示。第90页，共96页，编辑于2022年，星期五光纤过耦合器的非线性输出曲线第91页，共96页，编辑于2022年，星期五利用可调谐激光器测试自制的光纤过耦合器的透射波长特性，实验测得数据如图所示。第92页，共96页，编辑于2022年，星期五波长灵敏度与耦合比的关系图第93页，共96页，编辑于2022年，星期五耦合比随波长变化曲线图 第94页，共96页，编辑于2022年，星期五C1FBGLEDC2ISOD1D2DIV解调光纤光栅装置图 第95页，共96页，编辑于2022年，星期五第96页，共96页，编辑于2022年，星期五