制備高質(zhì)量螺旋光纖的四電極寬恒溫區(qū)特性研究

王劍， 馬超， 王東輝， 王洪業(yè)， 苑立波*

（1.桂林電子科技大學(xué) 光電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.哈爾濱工程大學(xué) 纖維集成光學(xué)教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001）

1 引 言

螺旋光纖器件及其制備方法日益受到人們的重視，例如，螺旋長周期光纖光柵（Helical Long Period Fiber Grating， HLPFG）［1］、螺旋形表面等離子共振光纖傳感器［2］、基于干涉特性的螺旋形光纖傳感器［3］。螺旋光纖器件不僅有著傳統(tǒng)光纖器件抗電磁干擾、尺寸小、重量輕、耐腐蝕等特點，且其螺旋特性使其具有許多常規(guī)光纖器件不能實現(xiàn)的功能，在傳感器、光纖偏振器和濾波器等方面的應(yīng)用潛力巨大［4-6］。

螺旋光纖器件，通常是對已拉制好的光纖經(jīng)二次加工制備而成，主要方法為二種。第一種方法是用熱源加熱并扭曲光纖形成螺旋結(jié)構(gòu)，如二氧化碳激光制備［7-9］、氫氧火焰加熱制備［10-12］、電弧放電制備［13-17］。該方法制備的螺旋光纖器件是光纖傳感領(lǐng)域的常用方法。第二種方法是利用飛秒激光器或二氧化碳激光器直接改變光纖結(jié)構(gòu)形成螺旋光纖器件［18］。

相較于其他制備螺旋光纖器件的方法，電弧放電的制備方法靈活簡單。但傳統(tǒng)的二電極電弧放電制備螺旋光纖器件時，所產(chǎn)生的恒溫區(qū)較窄，不利于螺旋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力釋放與軟化。導(dǎo)致螺旋光纖器件樣品的插入損耗與透射光譜波動相對較大，器件性能較差。

針對傳統(tǒng)二電極電弧放電存在的問題，本文開展了基于四電極電弧放電的寬恒溫區(qū)等離子熱熔扭轉(zhuǎn)加工系統(tǒng)的研究，文獻［19］敘述了該系統(tǒng)溫度場的形成方法。為更好了解相關(guān)參數(shù)對四電極電弧溫度場的影響，對四電極電弧的溫度場進行了仿真。相關(guān)仿真及實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)形成的恒溫區(qū)較寬，寬的恒溫區(qū)不僅有利于光纖應(yīng)力的釋放與軟化，同時減少了光纖偏移帶來的影響。本文首先以HLPFG為例，采用研制的加工系統(tǒng)制備了不同光纖與相同光纖下不同螺距的HLPFG，以此對研制系統(tǒng)的性能進行評估。接著為更進一步驗證所研系統(tǒng)的性能，用不同光纖分別制備了不同周期的螺旋光纖結(jié)構(gòu)。不同驗證方法的結(jié)果顯示加工得到的螺旋光纖結(jié)構(gòu)質(zhì)量較高。

2 四電極電弧加熱光纖方法

本文提出的四電極電弧放電加熱光纖結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，各電極軸線及待加工光纖軸線位于同一平面，電極A，A′，B，B′的尖端頂點連線為矩形，軸線C為該矩形的軸線。電極A與電極A′的距離定義為Dx，電極A與電極B′的距離定義為Dy，電極A的軸線與電極A′的軸線及電極B′的軸線與電極B的軸線關(guān)于矩形的一軸線對稱，電極A的軸線與電極B′的軸線及電極A′的軸線與電極B的軸線關(guān)于矩形的另一軸線對稱，各電極軸線與軸線C的夾角θ為銳角，被加工的光纖處于軸線C上。當四電極進行電弧放電時，四電極電弧形成的寬恒溫區(qū)既可對光纖進行加熱。

圖1 四電極電弧加熱光纖結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Four electrode arc heating fiber structure block diagramr

3 四電極電弧溫度場

3.1 四電極電弧溫度場仿真

四電極形成的電弧可用磁流體動力學(xué)模型方程組來描述，電弧是關(guān)于層流、流體傳熱、電流和磁場四個物理場相互耦合的一個復(fù)雜過程，通過它們的相互耦合，建立四電極電弧仿真模型，該模型由質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程等組成［20-21］。

質(zhì)量守恒方程［22］：

動量守恒方程［22］：

能量守恒方程［22］：

式（1）~式（3）中：ρ為氣體密度；V為速度場矢量；t為時間；Ff為體積力的體密度；p為壓力；λf，μf為流體的膨脹黏性系數(shù)；S為變形速率張量；J×B為電磁力；μ′f為流體的膨脹黏性系數(shù)；εf為介質(zhì)的內(nèi)能；Φ為耗散函數(shù)；T為溫度；σ為電導(dǎo)率，是關(guān)于溫度T的函數(shù)，并非定值；J為電流密度；λT為熱傳導(dǎo)系數(shù)。

電弧氣體的材料參數(shù)、電流密度J、電場E以及磁場B的分布情況，可通過氣體狀態(tài)方程、電流守恒方程帶入磁流體動力學(xué)控制方程中進行數(shù)值求解。

為了更好了解相關(guān)參數(shù)對四電極電弧形成溫度場的影響，基于以上理論進行了仿真。為了降低模型復(fù)雜程度及減少仿真時間，本文使用二維模型對四電極電弧放電溫度場進行了有限元仿真。為了提高仿真的收斂性，在仿真的過程中引入一些假設(shè)：

（1）不考慮電弧的起始產(chǎn)生過程；

（2）假設(shè)求解的電弧等離子體為平衡等離子體，即其滿足局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)；

（3）假定電弧等離子體是軸對稱的，受電磁力影響所產(chǎn)生的電弧等離子體的流動為層流；

（4）等離子的密度、電導(dǎo)率、導(dǎo)熱系數(shù)、恒壓熱容、動力黏度系數(shù)僅為溫度的函數(shù)；

（5）在仿真中忽略電弧對觸頭燒蝕以及近極區(qū)鞘層的影響；

（6）假設(shè)電弧等離子體為穩(wěn)定的、無旋的、不可壓縮的理想流體；

（7）計算區(qū)域的邊界面假定為熱絕緣。

以圖1中各電極的尖端頂點連線構(gòu)成矩形的中點溫度為基準，定義矩形中點為原點O，電極A與電極B′連線方向上為y軸，電極A端為y軸的正向端，電極A與電極A′連線方向上為x軸，電極A′端為x軸的正向端，電極A與電極A′的距離定義為Dx，電極A與電極B′的距離定義為Dy，從原點O出發(fā)，當四周溫度相對原點O變化最大100 ℃時，取此時x軸與y軸坐標的2倍分別作為在x軸與y軸方向上的恒溫加熱距離，分別記作Sx，Sy，定義Sx與Sy的乘積為恒溫區(qū)面積S，原點的溫度定義為T。本節(jié)后續(xù)仿真基于四電極電弧光纖加熱原理與實際情況選取相應(yīng)參數(shù)及其范圍。

以夾角θ為變量，對溫度場進行仿真，夾角θ分別設(shè)置為10°，12.5°，15°，17.5°，20°，22.5°，25°，27.5°，距離Dx為3 mm，距離Dy為2 mm，電壓15 kV，電阻175 Ω，仿真結(jié)果如圖2。

圖2 夾角θ對溫度場的影響Fig.2 Influence of included Angleθon temperature field

在圖2（a）中，面積S在夾角θ為15°前呈遞增趨勢，隨后隨著夾角θ的增大，面積S變化不大，在6 mm2左右變化；圖2（b）中，Sx在夾角θ為15°前呈遞增趨勢，隨后隨著夾角θ的增大，Sx變化不大，在3 mm左右變化。從圖中可知，夾角θ的變化對Sx影響不大；在圖2（c）中，考慮實際光纖加工情況，y軸的坐標最大只能取1 mm，所以Sy一直保持為1 mm，不隨夾角θ的變化而變化；圖2（d）表示了溫度T隨著夾角θ的增大，單調(diào)遞減，不利于溫度的提高。

以距離Dx為變量，對溫度場進行仿真，距離Dx分別設(shè)置為1.5 mm，2 mm，2.5 mm，3 mm，3.5 mm，4 mm，4.5 mm，5 mm，夾角θ為20°，距離Dy為2 mm，電壓15 kV，電阻175 Ω，仿真結(jié)果如圖3。

圖3 距離Dx對溫度場的影響Fig.3 Influence of distance Dx on temperature field

在圖3（a）與圖3（b）中，隨著距離Dx的增大，面積S與Sx都呈單調(diào)遞增趨勢，且增大明顯；在圖3（c）中，考慮實際光纖加工情況，y軸的坐標最大只能取1 mm，所以Sy一直保持為1mm，不隨距離Dx的變化而變化；圖3（d）表示了溫度T隨著距離Dx的增大，單調(diào)遞減，不利于溫度的提高。

在圖4（a）中，面積S在隨著距離Dy的增大單調(diào)遞增，且增大明顯；圖4（b）中，Sx隨著距離Dy的增大，單調(diào)遞增，相對于圖3（b），Sx增大較小；在圖4（c）中，Sy隨著距離Dy的增大，單調(diào)遞增，圖4（d）表示了溫度T隨著距離Dy的增大，單調(diào)遞減。

圖4 距離Dy對溫度場的影響Fig.4 Influence of distance Dy on temperature field

以距離Dy為變量，對溫度場進行仿真，距離Dy分別設(shè)置為1.8 mm，2 mm，2.2 mm，2.4 mm，2.6 mm，2.8 mm，3 mm，3.2 mm，夾角θ為20°，距離Dx為3mm，電壓15 kV，電阻175 Ω，仿真結(jié)果如圖4。

以高壓交流電源的峰值電壓v為變量，對溫度場進行仿真，電壓V分別設(shè)置為11 kV，12 kV，13 kV，14 kV，15 kV，16 kV，17 kV，18 kV，夾角θ為20°，距離Dx為3 mm，距離Dy為2 mm，電阻175 Ω，仿真結(jié)果如圖5。

圖5 電壓v對溫度場的影響Fig.5 Effect of voltage v on temperature field

在圖5（a）與圖5（b）中，隨著電壓v的增大，面積S與Sx都呈單調(diào)遞減趨勢，但相對圖3（a）與圖3（b）變化不大；在圖5（c）中，考慮實際光纖加工情況，y軸的坐標最大只能取1 mm，所以Sy一直為1 mm，不隨電壓v的變化而變化；圖5（d）表示了溫度T隨著電壓v的增大，單調(diào)遞增。

為了增大光纖的恒溫加熱長度，需Sx的長度長盡可能長，由仿真可知，影響Sx長度的因素主要取決于距離Dx，在一定條件下，距離Dx越長，Sx的長度越長。圖3與圖4表明，隨著夾角θ與距離Dy的增大，溫度T單調(diào)遞減，但Sx變化不大，在所需的加工溫度范圍，過大的夾角θ與距離Dy，不利于Sx的增大。由圖5可知，雖然可通過增加電壓提高溫度T的溫度，但這也給裝置帶來更高的成本。綜合考慮四電級棒光纖加工裝置中所使用的高壓包峰值放電電壓、電弧的穩(wěn)定性、固定電級棒的底座尺寸、裝置安裝、電極之間距離過近，造成的不希望放電回路、所需的恒溫場及溫度范圍、成本，四電極電弧放電的寬恒溫區(qū)等離子熱熔扭轉(zhuǎn)加工系統(tǒng)選取的電極軸線與橫軸C的夾角θ為20°，距離Dx為3 mm，距離Dy為2 mm，高壓包峰值電壓為15 kV，放電峰值電壓可調(diào)。

根據(jù)上述系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，電阻設(shè)置為175 Ω，仿真得到的溫度場如圖6。

圖6 四電極電弧放電形成的溫度場分布Fig.6 Temperature distribution of four electrode rod arc discharge

由圖6可得，恒溫區(qū)面積S為7.05 mm2，恒溫區(qū)面積S對應(yīng)的x軸坐標為1.84 mm，恒溫區(qū)面積S對應(yīng)的y軸坐標為1 mm，這將使得光纖恒溫加熱的長度達到3.68 mm，同時隨著恒溫區(qū)的擴大，光纖在能在較寬恒溫區(qū)范圍內(nèi)，y軸方向上存在正負1 mm以內(nèi)的偏移時，對螺旋光纖光柵的制備基本不受影響，這使得四電極電弧放電螺旋光纖加工裝置實現(xiàn)上變得更加容易。

3.2 四電極電弧溫度測試

根據(jù)以上得到的四電極參數(shù)，搭建四電極電弧放電的寬恒溫區(qū)等離子熱熔扭轉(zhuǎn)加工系統(tǒng)，電極的位置及角度，通過CCD及尺子進行調(diào)節(jié)。圖7為四電極電弧放電形成的電弧分區(qū)圖，將其分成3個區(qū)，分別為離子產(chǎn)生區(qū)、離子流經(jīng)區(qū)、輻射熱區(qū)，其中輻射熱區(qū)為光纖的加熱區(qū)。圖中，上面的電極對形成一組電弧放電路徑，下面的電極對形成另一組電弧放電路徑。由于電弧放電時陽極與陰極斑點大小不同，陽極斑點小，而陰極斑點大，所以上面與下面電極棒尖端處較亮的一端為電極棒的陰極，對應(yīng)的另一端則為電極棒的陽極。

圖7 四電極電弧分區(qū)圖Fig.7 Four electrode rod fiber heating and its temperature

從圖8中可知，在測試電壓下，最高溫度在1 050 ℃上下50 ℃內(nèi)波動。結(jié)合四電極相關(guān)尺寸，由圖8（a）、圖8（b）可知，此時光纖的恒溫加熱長度約為2.12 mm。

圖8 四電極光纖加熱及其溫度Fig.8 Four electrode rod fiber heating and its temperature

4 四電極電弧放電的寬恒溫區(qū)等離子熱熔扭轉(zhuǎn)加工系統(tǒng)及應(yīng)用結(jié)果

4.1 四電極電弧放電的寬恒溫區(qū)等離子熱熔扭轉(zhuǎn)加工系統(tǒng)

四電極電弧放電的寬恒溫區(qū)等離子熱熔扭轉(zhuǎn)加工系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 四電極電弧放電的寬恒溫區(qū)等離子熱熔扭轉(zhuǎn)加工系統(tǒng)Fig.9 Plasma hot melt torsional processing system with wide constant temperature zone for arc discharge with four electrodes

其主要包括電動位移臺、四電極、固定夾具、電動旋轉(zhuǎn)臺和相機。一臺電動位移臺上的夾具采用固定的形式，另一臺電動位移臺上的夾具置于電動旋轉(zhuǎn)臺上，并同電動旋轉(zhuǎn)臺上的旋轉(zhuǎn)電機一同旋轉(zhuǎn)。待加工的光纖固定于兩個夾具上。四電極電弧放電寬恒溫區(qū)等離子熱熔旋鈕加工系統(tǒng)中光纖V型槽加工精度為5 μm，其他零件加工精度為50 μm。制備螺旋光纖器件時，通過控制電動旋轉(zhuǎn)電機的旋轉(zhuǎn)速度，電動位移臺的位移速度，四電極電弧放電的溫度場溫度，可以實現(xiàn)光纖的螺旋加工。整個平臺由計算機通過編寫的程序進行控制。四電極上方的相機用于觀察光纖加工過程及用來調(diào)整四電極的位置。

4.2 應(yīng)用結(jié)果

為說明加工系統(tǒng)的性能，用不同光纖的HLPFG透射光譜與相同光纖的不同周期HLPFG透射光譜進行了實驗驗證。首先是對三種不同的光纖進行實驗，只是出于考慮不同光纖的制備效果，周期沒有特定的進行選取。為了更好地說明論文研制系統(tǒng)的性能，在前述實驗的基礎(chǔ)上，對康寧單模光纖HLPFG的不同周期進行了驗證。

圖10為HLPFG，它具有沿軸向周期性螺旋折射率調(diào)制的特性，圖中標注了HLPFG的纖芯、包層和螺距。實驗中，采用不同的光纖驗證四電極電弧放電寬恒溫區(qū)等離子熱熔扭轉(zhuǎn)加工系統(tǒng)的性能，所用光纖分別為長飛單模光纖、康寧單模光纖、三角芯光纖，采用顯微鏡與折射率測試儀對它們的端面與折射率進行測量，折射率測量所用的光波長為532 nm，得到的光纖截面圖與三維折射率輪廓圖如圖11。

圖10 螺旋長周期光纖光柵Fig.10 Helical long period fiber grating

圖11 光纖截面圖與三維折射率輪廓圖Fig.11 Fiber cross section and 3D refractive index profile

從圖12（a）、圖12（b）、圖12（c）可知，不同光纖與不同周期下制備的HLPFG的插入損耗較低，圖12（d）中，在波長1.21~1.3 μm，等間隔取10個數(shù)據(jù)點，周期750 μm的長飛單模光纖HLPFG的透射光譜的波動最大為0.49 dB，通過計算其平均值為-0.53 dB。周期650 μm的康寧單模光纖HLPFG的透射光譜的波動最大為0.33 dB，通過計算其平均值為-0.38 dB。周期780 μm的三角芯光纖HLPFG的透射光譜的波動最大為0.94 dB，通過計算其平均值為-0.66 dB。

圖12 基于四電極電弧系統(tǒng)制備的不同光纖HLPFGFig.12 Different fiber HLPFG fabricated based on a four-electrode arc system

從圖13（a）、圖13（b）可知，不同周期下制備的HLPFG的插入損耗較低，圖13（c）中，在波長1.21~1.3 μm，等間隔取10個數(shù)據(jù)點，周期550 μm的康寧單模光纖HLPFG的透射光譜的波動最大為0.50 dB，通過計算其平均值為-0.43 dB；周期600 μm的康寧單模光纖HLPFG的透射光譜的波動最大為0.29 dB，通過計算其平均值為-0.19 dB。

圖13 基于四電極電弧系統(tǒng)制備的不同周期HLPFGFig.13 HLPFG with different periods fabricated based on four-electrode arc system

表1為前述5個透射光譜得到的結(jié)果，由于光源存在細微的波動，這里定義最大值為透射光譜1.3~1.35 μm光強的平均值，最低為整個透射光譜的最小值，差值為兩者的差。由表可知，透射光譜中最大值大于-1 dB，最小值小于-23 dB，差值大于22 dB。

表1 測試結(jié)果Tab.1 Test result

由不同光纖與不同周期制備的HLPFG可知，四電極電弧放電寬恒溫區(qū)等離子熱熔旋鈕加工系統(tǒng)制備的HLPFG插入損耗及透射光譜的波動小，同時得到較好的波谷深度。

為了進一步評價本文提出的四電極電弧放電的寬恒溫區(qū)等離子熱熔扭轉(zhuǎn)加工系統(tǒng)的性能，表2與其他制備方法及其加工得到的HLPFG進行了比較。顯然，與其他方法相比，本文提出的四電極電弧放電加工光纖的方法不僅得到的HLPFG光譜最小損耗小于1 dB，而且該加工方法簡單靈活、恒溫區(qū)大、價格便宜。通過比較可知，本文提出的加工方法為實現(xiàn)高質(zhì)量的螺旋光纖器件提供了一種有效的制備方法。

表2 不同加工方法制備HLPFG比較Tab.2 Comparison of HLPFG prepared by different processing methods

為更充分驗證寬恒溫區(qū)加工系統(tǒng)的性能，進一步的用本文所研制的系統(tǒng)制備了單模光纖、偏芯光纖、偏雙芯光纖不同周期的螺旋光纖結(jié)構(gòu)，并用顯微鏡進行了觀察。

從圖14可知，螺旋光纖器件的包層邊界清晰且平直，無顯著的螺紋結(jié)構(gòu)；光纖中央芯無顯著的螺旋加工痕跡；光纖偏芯光滑且連續(xù)。這都是基于加工系統(tǒng)的寬恒溫加熱區(qū)特點得到的。因為寬的恒溫加熱區(qū)不僅更利于被加工光纖的應(yīng)力釋放與軟化，而且減少了加工過程中光纖微振動帶來的影響。

圖14 不同螺距的三種螺旋光纖樣品側(cè)面觀察圖 （a）單模光纖截面圖；（b）周期為450 μm的單模光纖螺旋結(jié)構(gòu)；（c）周期為900 μm的單模光纖螺旋結(jié)構(gòu)；（d）偏芯光纖截面圖；（e）周期為450 μm的偏芯光纖螺旋結(jié)構(gòu)；（f）周期為900 μm的偏芯光纖螺旋結(jié)構(gòu)；（g）偏雙芯光纖截面圖；（h）周期為450 μm的偏雙芯光纖螺旋結(jié)構(gòu)；（i）周期為900 μm的偏雙芯光纖螺旋結(jié)構(gòu)。Fig.14 Side view of three spiral fiber samples with different pitch （a） Section of single-mode fiber；（b） single-mode fiber helical structure with a period of 450 μm； （c） Single-mode fiber helical structure with a period of 900 μm； （d） Crosssectional diagram of eccentric fiber； （e） eccentric fiber helical structure with a period of 450 μm； （f） eccentric fiber helical structure with a period of 900 μm； （g） partial dual-core fiber section diagram； （h） partial two-core fiber helical structure with a period of 450μ m； （i） partial dual-core fiber helical structure with a period of 900 μm.

上述加工結(jié)果帶來的好處如下：

（1）包層無顯著螺紋結(jié)構(gòu)說明包層形變小，光纖中包層模式傳輸僅受螺旋纖芯的影響，包層邊界不對包層模式產(chǎn)生顯著調(diào)制；

（2）對于中央纖芯來說，其無顯著的螺旋加工痕跡，降低了透射光譜的損耗及波動，論文［14］間接的說明了這點；

（3）對于離軸纖芯來說，纖芯螺旋結(jié)構(gòu)可分解為具有較大曲率半徑的穩(wěn)定扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和較小曲率半徑的局部微彎和結(jié)構(gòu)錯位。相比于前者，后者的彎曲程度更高且不均勻，是導(dǎo)致纖芯輻射損耗的主要因素［23-24］。而四電極電弧寬恒溫區(qū)螺旋光纖加工系統(tǒng)加工得到的離軸纖芯螺旋軌跡光滑連續(xù)，有效降低纖芯在扭轉(zhuǎn)過程中的局部微彎和結(jié)構(gòu)錯位，能顯著地降低樣品的插入損耗。

總結(jié)以上三點，四電極電弧放電的寬恒溫區(qū)等離子熱熔扭轉(zhuǎn)加工系統(tǒng)能能有效提高螺旋光纖器件的質(zhì)量。

5 結(jié) 論

本文為制備高質(zhì)量的螺旋光纖器件，提出一種四電極電弧光纖加熱方法，并研制了四電極電弧放電寬恒溫區(qū)等離子熱熔旋鈕加工系統(tǒng)，通過仿真分析了四電極各項參數(shù)對光纖加熱溫區(qū)特性的影響，以此為基礎(chǔ)，得到了系統(tǒng)四電極參數(shù)，并通過仿真與實驗驗證了四電極形成的寬的恒溫區(qū)。寬的恒溫區(qū)不僅有利于光纖應(yīng)力的釋放，同時，減少了光纖偏移帶來的影響。最后，首先由不同光纖與相同光纖的不同周期下制備的HLPFG驗證了四電極電弧放電寬恒溫區(qū)等離子熱熔旋鈕加工系統(tǒng)的性能，實驗表明本文提出的系統(tǒng)制備的螺旋光纖器件的插入損耗及透射光譜波動小，同時得到了較好的波谷深度。接著為更進一步驗證所研系統(tǒng)的性能，用不同光纖分別制備了不同周期的螺旋光纖結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示加工得到的螺旋光纖結(jié)構(gòu)質(zhì)量較高。基于本文提出系統(tǒng)的特點，使得該系統(tǒng)可制備多種高質(zhì)量螺旋結(jié)構(gòu)的光纖器件，具有廣泛的應(yīng)用前景，如螺旋光纖濾波器、螺旋光纖渦旋光發(fā)生器，為高質(zhì)量螺旋光纖器件的制備，提供了技術(shù)支撐。