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光纖熔接技術的原理是什么?

時間:2023-08-19   訪問量:1438
知乎上與光纖相關的專業問題真是少的可憐,包括這個問題的問法也很是隨便,而關注度更是慘不忍睹。為了便于檢索,我將原題目描述做了修改,請見諒。由于答主在日常試驗中經常使用光纖熔接機,閑暇里對光纖的熔接技術稍有關注,因此試答一下,謬誤之處還請方家指正。

  目前的主流光纖熔接技術原理簡言之就是:

先是光纖對準——主要是側向成像對軸法,對光纖的側面成像進行圖像處理,尋找與光纖位置或是方位角相關的特征值作為自變量,反推出因變量(也即光纖的位置或是方位角信息),并通過精密馬達系統控制光纖的平移與旋轉,從而達到熔接前的對準;對準完成以后就是熔接了,還是說主流——預加熱熔接法,先是清潔放電對光纖端面進行除塵處理,然后預放電對光纖端面進行預熱整形,最后在主放電環境下,使一根光纖軸向移動,完成兩根光纖的熔接,并形成一個光纖熔接點。(PS.光纖對準的方法還有很多,比如有源軸向對準法就與我說的不同,但既不是寫文獻綜述,其余方法也便不提了,切勿以為只此一種。)

  以上的話可以看完下文后再回味一遍,下面結合原理與圖形簡述之。

   圖1

圖1是一個典型的光纖側面成像光路,圖中的PM Fiber是保偏光纖,當平行光通過光纖時,光纖相當于是一個柱透鏡,對光線有一定的匯聚作用,學過光學的人都應該清楚,在紙平面上,光線匯聚后并不是一個點,而是發散的,因為有球差,同時觀察屏(Observation Plane)與光纖之間的距離不同,在屏上得到的光強分布也是不同的(可以想象一下光線被匯聚后又發散的樣子)。圖1中通過一個透鏡將觀察屏上的光強分布投映到了CCD面陣上,被接收為圖像信號,然后根據圖像亮度的不同,得到了一條光強分布曲線(Light Intensity Profile),從曲線中可以讀出以下信息: 在曲線的中心位置,由于光纖柱透鏡的匯聚作用,對應著觀察屏上光強最強的區域,再往兩邊過來一點,幾乎很少有光打在屏上,所以光強曲線的值幾乎為零,再往兩邊過來一些,就是沒有經過光纖的光線,光強又比中間經過匯聚后的光強值稍弱一點。 然后,把視野拉到立體模型上來,如果是一根光纖被照射,對應CCD面陣上接收的圖像就應該是這樣子的了,看圖: 有過熔接經驗的人應該很熟悉了,這是光纖的側面成像經CCD光電轉換后的灰度圖像,光強值越大,對應的白條紋越亮。 OK,以上是基礎知識,下面稍進一步,再詳盡一點。 剛才有提到保偏光纖PM Fiber,而且細心的人應該也會發現圖1里標注的h和18°,下面講它們的用途。如果是單模光纖,那么無論光纖處于什么樣的方位角(也即無論光纖怎樣旋轉),得到的光強分布是不變的,所以可以直接通過Light Intensity Profile確定光纖的纖芯位置,并完成對準工作。如果是保偏光纖,光纖的對準工作就會增加難度,由于光纖內部應力區的非圓心對稱結構,當光纖旋轉時,也即方位角變化了,得到的Light Intensity Profile曲線也會改變,所以我們需要從變化的Light Intensity Profile曲線中提取出與光纖方位角相關的一個特征量,用來判斷光纖此時的方位角度,然后才能完成兩根保偏光纖的0°或是任意角度的對軸熔接。而在圖1中,我們可以提前知道答案了,那個h就是與18°(光纖方位角)相關的特征量。 要具體研究h與方位角的對應關系,則需再嚴謹一點,先確定觀察屏的位置。 目前在國內流通的主流保偏光纖熔接機里,使用較多的保偏光纖對軸方法有兩種,其一發明的POL對軸法,另一個就是日本藤倉(要是我沒記錯的話,此處存疑)發明的PAS對軸法。兩種對軸方法的區別就是觀察屏位置的不同,POL的觀察屏在光纖圓柱透鏡效應的焦點處,其全稱是Polarization of observation by lens-effect tracing,而PAS的觀察屏位置則比較靠前,好像是在纖芯與焦點的中點處(此處存疑,回頭我再查查資料),其全稱是Profile alignment system,俗稱中心圖像直接監測法。POL法的Light Intensity Profile曲線就如圖1中所示,最大光強分布尖峰是在中間位置,當光纖旋轉時,Light Intensity Profile曲線中的最大對比值h(最大光強與最小光強的差值)始終位于光纖中心位置,且其大小隨著光纖方位角的變化而變化,是POL法的特征量。當光纖方位角從0°變化至360°時,得到h關于光纖方位角的一條關系曲線,也即POL曲線: 上面是不同類型PM Fiber的POL曲線,可以發現它們的POL曲線也是不一樣的。 下面就進入了算法部分,當我們測量出了PM Fiber的POL曲線以后,如果是同種光纖的熔接,它們的POL曲線在形狀上是相同的,只是曲線在整體分布上會有一定的角度偏移,這時候可以通過直接相關算法來計算出二者的方位角差值。公式我就不貼了,有興趣直接翻文獻去吧,我會在后面給出。 上面是同種光纖的POL曲線以及采用直接相關算法得到的相關系數曲線,相關系數曲線的峰值點對應的偏移角α即是兩側待熔光纖的主軸角度差,通過馬達旋轉光纖,使得α=0,即完成了0°對軸。但是這種方法有一個缺點就是不能分別找準左右兩側光纖各自的方位角值,于是還有一種算法就是間接相關算法。 后續的明天再更吧。。參考文獻:Zheng Wenxin. Auto ** ted fusion-splicing of polarization ** intaining fibers. Journal of Light Wave Technology[J]. 1997,15 (1): 125-134.

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