熔錐型光纖耦合器耦合比與拉伸長度的關系

李文娟，鄭煜，段吉安，王麗軍，李繼攀，呂文

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熔錐型光纖耦合器耦合比與拉伸長度的關系

李文娟，鄭煜，段吉安，王麗軍，李繼攀，呂文

(中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南長沙，410083)

為探明光纖耦合器制造過程中耦合比與拉伸長度之間的關系，基于熔融拉錐法實驗研究預設耦合比和預設拉伸長度作為拉錐停止準測，實際耦合比和實際拉伸長度的分布規律。研究結果表明：預設耦合比作為拉錐停止準測的情況下，實際拉伸長度的離散度小于0.5 mm；預設拉伸長度作為拉錐停止準測的情況下，隨著預設拉伸長度的增加，實際耦合比的離散度由1.13%增加到21.16%；當預設拉伸長度在12.0~12.6 mm時，實際耦合比與理論拉伸長度之間存在線性關系177.3?6.5。該研究為光纖耦合器熔融拉錐制造工藝與設備的改進、優化提供理論與技術基礎。

光纖耦合器；耦合比；拉伸長度；熔融拉錐；映射關系

光纖耦合器是一種是將光波從1根光纖中分至多根光纖中或者將多根光纖中合至1根光纖的無源器件，在光纖通信與光纖傳感等領域有廣泛的應用[1?4]。其制造方式有熔融拉錐、微光學式以及光波導式3種[4?6]，對于通道數較少(通道數≤4)的一般采用熔融拉錐法制造；通道數較大(通道數≥8)的一般采用光波導法制造。熔融拉錐法是將2根除涂覆層的光纖并在一起燒熔拉伸，使兩纖芯合在一起，基于單模光纖間消逝場相互耦合的原理，以達到光波耦合。燒熔方法有多種，如火焰加熱[7]、電加熱[8]、激光加熱[9?10]等，目前常用的是氫氧焰加熱，其過程參數由制造設備的機械參數(即工藝參數)來控制，包括火頭寬度高度、氫氣流量、拉伸速度以及加熱時間等，拉錐停止準測以預設耦合比為準。光纖器件的性能由光學原理與結構設計、制造原理與工藝所確定。熔融拉錐制造是使光波在光纖?零件結合界面產生預期行為以實現光學原理與功能的工程，其光學性能與制造工藝參數強關聯。自熔融拉錐法[5?6]被提出以來，研究人員對耦合理論[2?4]、制造工藝與設備[14]、錐區微觀形貌[11?13]、光學性能(如附加損耗、偏振相關損耗、方向性等)[15?18]進行了深入研究。而到目前為止，所有的拉錐停止準測均是以預設耦合比為準，對于預設耦合比和實際拉伸長度有何映射關系、能否以預設拉伸長度作為停止準測、預設拉伸長度與實際耦合比有何映射關系等問題鮮有文獻報道。本文作者以1×2的光纖耦合器熔融拉錐制造為研究對象，通過預設耦合比和預設拉伸長度作為拉錐停止準測，以探明預設耦合比和實際拉伸長度的分布規律與映射關系，以及預設拉伸長度與實際耦合比的分布規律與映射關系。

1 實驗

1.1 實驗裝置

根據實驗需求構造了實驗平臺，設備的總體結構框圖如圖1所示。該平臺由光源、運動平臺、控制系統和真空吸附系統組成。光源采用激光光源，可提供1 310和1 550 nm雙波長的光；熔融拉錐運動平臺包括光纖夾具、拉錐裝置、陶瓷火頭以及封裝夾具移動裝置；控制系統由I/O接口將計算機和光功率探測器與氫氣流量控制器相連接；真空吸附系統用于夾持 光纖。

實驗平臺工作時，對稱的光纖夾持裝置在步進電機驅動下沿導軌以設定的拉錐速度向兩側移動，光功率探測器將探測到的光功率轉換成電信號, 利用模數轉換電路轉換成數字信號并傳送到計算機系統, 計算機將這些數據處理后, 計算相應的分光比、插入損耗和附加損耗等參數, 并實時顯示在顯示器上，當輸出端達到預先設定的分光比或拉伸長度時, 計算機發出自動停止命令, 主拉錐平臺自動停止工作，并退出 火焰。

圖1 光纖耦合器實驗框圖

1.2 實驗過程

實驗選用康寧SMF?28e光纖，纖芯折射率在光波波長1 550 nm下為1.465 8，芯徑為 8.2 μm；芯包層折射率差為0.36%，外徑為125 μm，激光光源波長為1 550 nm。實驗是在拉錐速度為150 μm/s、火頭高度為5.75 mm、室溫為23 ℃、氫氣流量為180 cm3/s，并保證預緊力及打結的扭絞程度和結距一定的條件下進行的，設備及環境處于穩定的狀態。

在上述工藝參數下，實驗1通過改變預設耦合比，獲得不同預設耦合比下實際的耦合比和實際的拉伸長度，每次記錄50組數據。在同樣的工藝條件下，實驗2通過改變預設拉伸長度，獲得在不同預設拉伸長度下實際的拉伸長度和實際的耦合比，同樣每次記錄50組數據。實驗1和實驗2的附加損耗控制在0.3 dB內。實驗1附加損耗的平均值為0.10~0.13 dB，且偏差為0.04~0.06 dB；實驗2附加損耗的平均值為0.12~ 0.15 dB，標準偏差為0.05~0.07。圖1和圖2所示為附加損耗的離散分布情況。

圖2 實驗1附加損耗的分布

圖3 實驗2附加損耗的分布

2 分析與討論

2.1 預設耦合比準測

圖4所示為在預先設定耦合比的條件下，實際獲得的耦合比與實際拉伸長度之間的對應關系。實驗中通過改變耦合比預設值，獲得不同預設耦合比條件下相應的拉伸長度，并每次記錄50組數據進行規律統計。圖4(a)所示為上述條件下獲得的實際耦合比與實際拉伸長度的離散度(本文中離散度定義為50組實驗數據耦合比和耦合長度的標準偏差)的關系；耦合比與拉伸長度的關系為以半周期內正弦曲線遞減的漸變關系，如圖4(b)所示。

在圖4(a)所示的預設耦合比實驗中，當預設耦合比由100%逐次降至0時，拉伸長度在 12~18 mm之間變化。在一定的偏差范圍內，當預設耦合比為10%~90%時，拉伸長度的總體變化幅度較小，而在預設耦合比為90%~100%時，拉伸長度的變化幅度增大。總體耦合比離散度小于 1%，實際拉伸長度的離散度小于 0.5 mm。其中當預設耦合比為 10%時，所獲得的50組實驗數據中，平均耦合比為 2.37%，耦合比的離散度為 0.32%；平均拉伸長度為 16.71 mm，實際拉伸長度的離散度為 0.5 mm，實際耦合比的波動較小。在預設耦合比在40%時，耦合比和拉伸長度的關系曲線下降趨勢減弱，其中所獲得的50組實驗數據中，平均耦合比為 27.64%，實際耦合比的離散度為 0.89%，平均拉伸長度為 15.18 mm，實際拉伸長度的離散度為 0.6 mm，與預設耦合比為10%時實際所得耦合比和拉伸長度相比，其離散度較大。在預設耦合比為90%時，下降趨勢再度增大，平均耦合比為86.47%，實際耦合比的離散度為0.27%，其波動程度減小；平均拉伸長度為 13.8 mm，實際拉伸長度的離散度為 0.62 mm，波動較大。

圖5所示為圖4(a)的局部放大圖。表示預設耦合比在90%~100%部分耦合比與拉伸長度的對應關系。其中耦合比的離散度都在 0.2%內，拉伸長度的離散度為 0.5 mm左右。預設耦合比在90%~96%內，實際拉伸長度隨耦合比的減小而降低的幅度增大，預設比為96%~100%時逐漸平緩。其中，當預設耦合比為93%時，平均耦合比為90.27%，實際耦合比的離散度為 0.18%；平均拉伸長度為 13.9 mm，實際拉伸長度的離散度為 0.67 mm，其離散程度在實驗數據中最大。當預設耦合比為99%時，平均耦合比為 98.39%，離散度為0.08%；平均拉伸長度為 12.97 mm，離散度為 0.43 mm，其離散程度為全體數據中最小。

(a) 耦合比；(b) 拉伸長度

圖5 預設定耦合比時耦合比與拉伸長度的關系及離散性(耦合比為80%~100%)

2.2 預設拉伸長度準測

圖6所示為在預先設定拉伸長度的實驗中，實際的拉伸長度與實際耦合比的映射關系。由圖6可知：隨拉伸長度增加，實際耦合比的離散度呈現線性增加的趨勢，總體數據的離散度由 1.1%增加到21.1%，隨拉伸長度的增加實際耦合比的離散度增大，而實際拉伸長度的離散度在 0.007 mm左右波動。

圖6 預設拉伸長度時耦合比與拉伸長度的關系及離散性

圖6中，當預設拉伸長度為12.0~13.0 mm時，實際的耦合比均值呈現的線型與理論對應關系相符，離散度很小；大于13.0 mm以后，實際耦合比均值變化趨勢變緩并伴隨著離散度的增大，預設拉伸長度在大于13.8 mm后又大幅度下降。

圖7所示為圖6中局部結果的放大圖。由圖7可見：預設拉伸長度在 12.0~12.6 mm間變化幅度較小，基本呈線性狀態，其擬合曲線為=177.3?6.5。在預設拉伸長度為 12.0 mm時，實際平均拉伸長度為 11.98 mm，離散度為 0.007 7 mm；實際耦合比均值為99.36%，實際耦合比離散度為1.13%，實際拉伸長度與實際耦合比的離散度都最小。圖6中，當預設拉伸長度為13.0 mm時，平均拉伸長度為12.98 mm，離散度為0.006 8 mm；實際耦合比均值為80.29%，離散度為13.29%，與預設拉伸長度為12.0 mm時相比離散程度有較大增長。預設拉伸長度為13.6 mm時，平均拉伸長度為13.58 mm，離散度為0.007 9 mm；實際耦合比均值為82.22%，實際耦合比的離散度為16.3%，與預設拉伸長度為13.0 mm時相比離散度又有較大增加。當預設拉伸長度為 14.2 mm時，平均拉伸長度為14.18 mm，實際拉伸長度的離散度為0.007 9 mm；實際耦合比均值為50.79%，實際耦合比離散度為 21.16%，離散度較開始時拉伸長度為 12.0 mm時的離散度有較大增加。

圖7 預設拉伸長度時耦合比與拉伸長度映射關系及離散性(拉伸長度為12.0~12.6 mm)

3 結論

1) 在預設耦合比作為拉錐停止準測時，在第1個耦合周期內，實際拉伸長度的離散度小于 0.5 mm。

2) 在預設拉伸長度作為拉錐停止準測的情況下，隨著拉伸長度的增加，實際耦合比的離散度由1.13%增加到21.16%，且拉伸長度為12.0~12.6 mm，實際耦合比與理論拉伸長度間存在1個線性關系，即=177.3?6.5。

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(編輯 陳愛華)

Relationship between coupling ration and elongation length for fused tapered optical fiber couplers

LI Wenjuan, ZHENG Yu, DUAN Jian, WANG Lijun, LI Jipan, Lü Wen

(State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China)

In order to explore the relationship between coupling ration and elongation length for fused tapered optical fiber couplers, the preset coupling ratio and the preset elongation length as the elongation stopping criterion were discussed, and also the regularities of distribution about the actual coupling ratio and elongation length were researched on the basis of the experiments about fused biconical taper. The results show that when the preset coupling ratio is treated as stopping criterion, the dispersion of actual elongation length is less than 0.5 mm; when the preset elongation length is treated as the stopping criterion, the dispersion of actual couping ratio increases from 1.13% to 21.16% with the increase of the elongation length. There is a linear relationship:=177.3?6.5, between the actual coupling ratio () and the elongation length () when the elongation length is undulate in 12.0 to 12.6 mm. This research provides the theoretical principle and supporting technology for improving and optimizing the manufacturing process and equipment in fiber baconical taper.

optical fiber coupler; coupling ratio; drawing length; fused biconical tapered; mapping relationship

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.02.011

TN253

A

1672?7207(2017)02?0343?05

2016?03?15；

2016?05?29

國家自然科學基金資助項目(51475479，51075402)；高等學校博士點基金資助項目(20110162130004)；國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2012AA040406)；湖南省自然科學基金資助項目(14JJ2010)(Projects (51475479; 51075402) supported by the National Science Foundation of China; Project (2012AA040406) supported by the Ph.D. Programs Foundation of Ministry of Education of China; Project (2012AA040406) supported by the National High Technology Research and Development Program of China (863 Program))

鄭煜，副教授，從事集成光子器件封裝制造理論與技術研究；E-mail：zhengyu@csu.edu.cn