光子晶體與保偏光纖低損耗、高可靠熔接工藝

王曉玲，趙亞飛，劉保林，張子健，王琪偉

（北京控制工程研究所，北京 100094）

1 引言

光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber,PCF）是一種利用周期性的空氣孔結構實現導光的新型光纖，具有對輻照不敏感的優(yōu)點。根據纖芯內部結構的差異，光子晶體光纖可以分為高折射率反射型的普通實芯PCF 和折射率導引型空芯PCF［1］，本文所涉及為高折射率反射型實芯PCF。與傳統(tǒng)保偏光纖（Polarization-Maintaining Fiber，PMF）相比，光子晶體光纖能夠顯著提升光纖陀螺的宇航空間環(huán)境適應性，光子晶體光纖繞制的光纖環(huán)能夠降低其對輻射、溫度、磁場等環(huán)境影響的敏感性［2］，滿足長壽命高可靠衛(wèi)星的應用需求［3］。光子晶體光纖陀螺已用于衛(wèi)星主閉環(huán)控制驗證，展示出較好應用前景［4］。

PCF 與PMF 兩種不同熱特性的光纖熔接比較困難［5-6］，主要體現在光子晶體光纖在熔接過程中存在工藝參數不合理使得空氣孔過度塌陷從而導致較高損耗。目前的研究成果主要集中于PCF 與單模光纖（Single Mode Fiber，SMF）的熔接。靳偉等［7］人研究了不同熔接參數對空氣塌陷的影響，利用愛立信熔接機FSU-975 分別對大模場PCF 和高非線性PCF 與SMF 實現了0.9 dB和1.45 dB 的熔接損耗，提出兩種光纖精準對齊與適當加熱，即控制加熱電流和加熱時間是低損耗熔接 的關鍵因素；Chong 等［8］人利用CO2激 光器實現了PCF 和SMF 之間的熔接，兩點熔接損耗為1.3 dB～2.8 dB；M.L.V.Tse 等［9］人實現了高空氣填充率的PCF 與SMF 的近1dB 低損耗熔接。另外光纖間的模場匹配在低損耗熔接中也有所研究，Chen 等［10］人通過控制孔坍塌和錐度，實現PCF 與雙包層單模光纖（Double-Clad Fiber，DCF）的最佳模場匹配，完成0.65 dB 的低損耗熔接；Yu 等［11］人針對模場和直徑不匹配的SMF-28 和超大模場面積PCF 采用反向拉錐方法，精確控制光纖外徑和模場輪廓，實現低于0.5 dB 的低損耗熔接，其熔接強度約為58.2 kpsi。可以看 到，目前公 開報道 的PCF 和SMF 之間的熔接損耗一般都大于0.9 dB，并且少有PCF 和PMF 之間熔接的研究。而除了熔接損耗之外，在航天器等對可靠性要求極為嚴苛的應用領域，對于熔接點的熔接強度也提出了更高的要求，而現有文獻中還未見有針對PCF 與PMF 的熔接強度的可靠性數據驗證。在實際熔接過程中，高熔接強度往往與低熔接損耗相互制約，因此亟需進行光子晶體光纖與保偏光纖低損耗、高可靠熔接工藝的研究，以滿足宇航光纖陀螺產品中光子晶體光纖環(huán)替代傳統(tǒng)保偏光纖環(huán)，需應用此熔接工藝的迫切需求。

2 光子晶體光纖的熔接機理研究

2.1 熔接損耗的產生機理

光子晶體光纖與保偏光纖的熔接損耗的主要成因是波導間結構參數不匹配導致的。產生這種不匹配的因素有三，一是由于波導端面對準過程中產生橫向偏移和角度傾斜等情況導致的非本征損耗，該損耗由熔接設備的位移精度決定；二是由光子晶體光纖與保偏光纖之間的模場分布不同引起的模場失配損耗；三是由熔接時的高溫導致光纖結構變化引起的限制損耗。本文將分別進行理論分析。

2.1.1 非本征損耗

光纖熔接過程中，非本征損耗取決于熔接設備的精度。當熔接設備產生位移誤差時，會導致光纖模場匹配產生誤差，如圖1 所示。其中，陰影面積為能夠正常傳輸的光斑面積，光纖的模場半徑用R表示，熔接設備的誤差為d，則非本征損耗可以表示為［12］：

圖1 熔接非本征損耗示意圖Fig.1 Extrinsic splice loss

經過計算，當熔接設備產生位移誤差＜0.2 μm 時，非本征損耗小于0.1 dB。根據熔接設備的使用手冊可知，熔接機的位移誤差＜0.1 μm，在光子晶體光纖與保偏光纖熔接時非本征損耗可以忽略。

2.1.2 模場失配損耗

目前光纖陀螺與光纖環(huán)連接的尾纖為保偏光纖，光子晶體光纖與這種光纖的端面圖像如圖2 所示。

圖2 光子晶體光纖端面與保偏光纖端面圖像Fig.2 PCF end face and PMF end face

當光子晶體光纖與這種保偏光纖熔接時，由于兩種光纖的模場分布不一致，會在熔點產生由于模場失配導致的損耗，模場失配損耗表達式為［13］：

其中，ωPMF和ωPCF分別是光纖和光子晶體光纖的模場直徑。這里將光纖的基模模場分布近似為高斯型，模場直徑采用最廣泛使用的定義，即電場強度下降到峰值的1/e時的光斑直徑。光子晶體光纖模場失配損耗的變化是由于光纖空氣孔的形變導致的，需要對光子晶體光纖熔接過程中的形變進行分析。

2.1.3 限制損耗

限制損耗是由于光子晶體光纖包層空氣孔層數有限性導致的模式泄露，代表了光子晶體光纖對傳輸光的約束能力，與光纖空氣孔形狀、大小、排布方式和傳輸波長相關。通常經過設計的光子晶體光纖的限制損耗在光纖的總傳輸損耗中只占很小的一部分，遠遠小于材料吸收損耗和拉制結構不完美導致的損耗。

在光纖熔接過程中，由于光子晶體光纖的包層是由石英和空氣孔交替疊加而形成的，當光子晶體光纖被加熱到超過軟化溫度時，其表面張力（γ）會克服光纖粘度（η）而使得空氣孔塌陷。塌陷速率可由式（3）表示［14］：

在熔接溫度范圍內，光纖的表面張力對溫度并不敏感，但其粘度則隨著溫度的上升很快的下降，所以光子晶體光纖在接續(xù)時特別容易形成空氣孔的塌陷，導致光纖的形變，此時光纖的限制損耗會顯著增加。

光子晶體光纖的限制損耗可以通過計算光纖的有效折射率得到，兩者之間的關系為［15］：

其中：傳播常數β=k0neff，k0為波數，neff為光纖的有效折射率。

與模場失配損耗一樣，光子晶體光纖限制損耗的變化也是由于光纖空氣孔的形變導致的，需要對光子晶體光纖熔接過程中的形變進行分析，根據形變后的結構計算有效折射率來獲取限制損耗的變化。

2.2 光子晶體光纖熔接中的模場變化

根據理論分析可知，光子晶體光纖與保偏光纖熔接時的損耗主要來自模場失配損耗和限制損耗，這兩個損耗主要與光子晶體光纖在熔接過程中模場的變化有關，而光子晶體光纖的模場主要與光纖的結構相關。為了對熔接損耗進行計算，采用有限元的方法對型號為PMPCF-1550-100/135 的光子晶體光纖受熱后的結構變形進行了仿真。在特定加熱功率下，光子晶體光纖模場分布隨熔接時間的變化如圖3 所示。

圖3 光子晶體光纖模場分布隨熔接時間的變化Fig.3 Variation of PCF mode field distribution with splice time

從仿真結果可以看出，隨著熔接時間的增加，光子晶體光纖的空氣孔逐漸減小并最終閉合，在熔接過程中包層空氣孔有向內收縮的趨勢；光子晶體光纖模場分布隨熔接時間的延長呈現逐漸增大的趨勢，并且可以明顯看出模式泄露隨著熔接時間的增加而愈發(fā)嚴重。

2.3 熔接損耗計算與試驗驗證

根據光子晶體光纖模場分布情況，可以分別計算模場失配損耗及熔點限制損耗。其中模場失配損耗與熔接功率的關系如圖4 所示。隨著熔接時間的增加，模場失配損耗先是逐漸下降，最小損耗在0.68 dB 附近，隨后損耗開始迅速增大，最大模場失配損耗在2～2.5 dB 左右。不同熔接功率下模場失配損耗的變化趨勢相同，變化的進程隨功率的增加而加快。

圖4 熔點模場失配損耗與熔接功率和熔接時間關系圖Fig.4 Relationship between PCF mode field mismatch loss and splice power and splice time

熔點限制損耗仿真結果如圖5 所示。在熔接開始后光子晶體光纖的塌縮對熔點限制損耗的影響幾乎為0，只有當光纖的空氣孔接近完全閉合的時候才出現明顯增大。

圖5 熔點限制損耗與熔接功率和熔接時間關系圖Fig.5 Relationship between PCF melting point confinement loss and splice power and splice time

將計算得到的模場失配損耗和限制損耗相加，可以得到光子晶體光纖與保偏光纖熔接損耗同熔接功率和熔接時間的關系模型，如圖6 所示。在不同熔接功率下，熔點損耗的變化趨勢相同，均是先緩慢下降，即在熔接的開始階段光子晶體光纖空氣孔的輕微塌縮能夠促進兩種光纖間的模場匹配；隨著熔接時間的增加，光子晶體光纖的模場逐漸變大，耦合損耗開始增加；最后當熔接時間足夠長時，空氣孔區(qū)域閉合，限制損耗變成熔點損耗的主要組成部分。熔接功率的增大或者減小能夠加快或者減緩上述過程的發(fā)生。

圖6 熔點損耗與熔接功率和熔接時間關系圖Fig.6 Relationship between PCF melting point loss and splice power and splice time

利用CO2激光熔接機進行熔接試驗，熔接參數參考仿真結果，試驗結果如圖7 所示，橙色線為仿真結果（彩圖見期刊電子版）。可以看到，熔接損耗隨時間的變化規(guī)律與仿真結果一致，說明上述熔接損耗的理論模型較為準確，可以有效地反應熔接過程中損耗的變化，可利用該規(guī)律對熔接損耗進行優(yōu)化。

圖7 光纖熔接損耗Fig.7 PCF splice loss

圖8 光子晶體光纖和保偏光纖熔接損耗與強度與熔接時間的關系Fig.8 Relationship between splice loss and splice strength and splice time of PCF and PMF

2.4 熔接強度

2.4.1 熔接強度衡量指標

光子晶體光纖由熔融狀態(tài)下的二氧化硅拉制而成，引起脆性材料斷裂的主要因素是最大拉應力，因此當材料所受拉應力達到材料單向拉伸斷裂時的最大拉應力時，就會引起材料的斷裂。在衡量熔接強度時，通常采用kpsi 作為衡量熔點能夠承受壓強的單位，kpsi 是指磅力/平方英寸，與標準單位的換算關系為1 kpsi=6.895 MPa。一般光纖張力篩選為100 kpsi，熔點能夠承受的抗拉強度應在100 kpsi 以上，即高于0.7 GPa。

2.4.2 熔接強度摸底試驗

通過建立光子晶體光纖和保偏光纖的熔接損耗模型，能夠確定針對這兩種光纖熔接損耗的最優(yōu)參數。但是采用此時的熔接參數未必能夠得到最優(yōu)的熔接強度。對每組熔接參數進行5 次試驗，獲取不同熔接參數下的熔接強度，并綜合考慮熔接損耗的影響確定最優(yōu)熔接參數。熔接強度可以通過專用的測試設備進行測試。測試設備通過對光纖逐漸施加拉力直至光纖斷裂，記錄斷裂瞬間對光纖施加的拉力，最終通過測得的拉力和光纖的橫截面積計算光纖的抗拉強度。

在熔接過程中，光纖處于高溫環(huán)境，而光纖材料的黏度隨溫度的升高呈指數下降，此時在光纖表面張力的驅動下，待熔接的兩光纖端面逐漸熔合為一體。熔融石英的黏度取決于環(huán)境溫度，與熔接功率直接相關；熔合過程中微裂紋的修復與熔接時間相關。從光纖熔接的物理機理上看，熔接功率和時間是影響熔接強度的主要因素。圖 8 所示是光子晶體光纖和保偏光纖的熔接損耗與強度隨熔接時間的變化。從圖中可以看出，當熔接時間不大于1.5 s 時，熔接強度隨熔接時間的增長而迅速增加，而熔接損耗緩慢下降；當熔接時間大于1.5 s 時，熔接強度的增加速度逐漸減緩，并在2.5 s 時達到峰值，而這一過程中熔接損耗逐漸上升；直到4.5 s 時熔接強度基本平穩(wěn)，而熔接損耗快速上升。由此得到光纖熔接時間選擇1.5 s 左右較為合適。

3 光子晶體光纖熔接工藝試驗

3.1 熔接方案

在實際熔接過程中，由于光纖表面在預處理和熔接過程中受到污染，在雜質離子和加熱溫度的作用下二氧化硅分子會發(fā)生重新定向排布，形成結晶。在結晶處，光纖的強度會顯著下降。為了進一步提高光纖的熔接強度，需要選擇清潔度更高的熔接加熱源。目前常用的加熱源如表1所示。

表1 加熱源特點對比表Tab.1 Comparison of heating source characteristics

從表1 中可以看出，在使用一段時間后，采用電極放電熔接和石墨絲加熱熔接不可避免地引入污染，導致光纖熔接強度下降。因此，為了提高光纖熔接強度和可靠性，采用CO2激光器作為熔接加熱源。CO2激光為清潔熱源，無任何雜質污染，且光纖表面主動吸收激光并穩(wěn)定熱傳導，熔接表面光滑，無裂縫，可有效提高光纖熔接可靠性。本次試驗采用CO2激光器作為熔接加熱源。

光纖端面質量取決于光纖端面的切割角度。光纖端面質量影響熔接質量。采用拉切式光纖切割刀替代傳統(tǒng)壓切式切割刀，可明顯提高光纖端面切割角度，如表2 所示。

表2 光纖端面切割刀切割光纖質量對比表Tab.2 Quality comparison of fiber cutting with fiber cleaver

采用藤倉公司生產的LZM 系列CO2熔接機進行光子晶體光纖與保偏光纖熔接。試驗方案如圖9 所示。

圖9 光子晶體光纖熔接示意圖Fig.9 Schematic diagram of PCF fusion splicing

試驗的1 550 nmSLD 光源由光源驅動儀驅動，設置驅動電流；光源輸出尾纖與Y 波導輸入尾纖熔接，并記錄另一端輸出尾纖A 點處的光功率PA；隨后熔接光子晶體光纖及保偏光纖，分別記錄B 點和C 點的光功率PB 和PC，光纖較短自身損耗忽略不計，兩個熔接點的損耗分別Loss（A）=PB-PA，Loss（B）=PC-PB。當熔接參數最優(yōu)后測試熔點抗拉強度。

3.2 熔接參數試驗

在理論分析得到的初步參數基礎上，進一步針對熔接加熱源的位置以及追加加熱情況進行針對性的試驗，得到最優(yōu)的熔接參數。

3.2.1 加熱位置試驗

在熔接過程中，由于光子晶體光纖空氣孔結構的存在，光子晶體光纖要比保偏光纖軟化溫度低，在熔接時先形成空氣孔塌陷。如果熔接時溫度過于高，會造成嚴重的塌陷從而產生損耗值隨之增大。

為了盡可能降低光纖熔接損耗，理論上最優(yōu)的熔接方法是將加熱位置向更靠近熊貓保偏光纖一側，從而有效降低光子晶體光纖的形變，加熱區(qū)域示意圖如圖10 所示。

圖10 光子晶體光纖與保偏光纖熔接加熱區(qū)域示意圖Fig.10 Splicing heating area of PCF and PMF

在實際熔接過程中，通過改變加熱區(qū)域的位置，得到熔點質量如表3 所示。相同的熔接參數，當加熱位置在保偏光纖和光子晶體光纖連接端面時，具有較低的熔接損耗；當加熱位置偏移在保偏光纖側時，熔接熱量在光子晶體側更少，熔接損耗相應更低；當加熱位置偏移在光子晶體光纖側時，空氣孔塌陷較多導致損耗迅速增加，但試驗顯示熔接強度均未達到100 kpsi。

表3 加熱位置試驗記錄表Tab.3 Record form of heating position experiment

3.2.2 追加加熱試驗

為了進一步提高抗拉強度，需要在光纖熔接后，再對熔點進行降低加熱功率的追加加熱。試驗 結果如表4 所 示。在試驗 中10 bit 對 應300 mW 激光熔接功率。當追加通光-20 bit（相對原加熱功率降低值），光纖抗拉強度顯著提升，但熔接損耗波動較大；追加通光-40 bit，光子晶體光纖無明顯塌陷，對熔接強度提升不顯著；最終確認追加通光-30 bit，一般通光2～3 次。

表4 熔接再加熱試驗記錄表Tab.4 Record form of splicing reheating test

3.2.3 試驗結果

采用試驗得到的熔接參數進行多次熔接試驗，熔點平均損耗為0.82 dB、最大值不超過1.0 dB，平均熔接抗拉強度達到139 kpsi、最小值不低于100 kpsi，如表5 所示，滿足光纖陀螺熔接損耗小于1.0 dB、熔點抗拉強度大于100 kpsi 的使用要求。熔接對軸過程中光子晶體光纖端面圖以及熔接完成后熔點照片如圖11 所示。

表5 熔接試驗記錄表Tab.5 Record form of splicing test

圖11 熔接試驗過程Fig.11 Fusion test process of PCF and PMF

4 結論

本文在分析光子晶體光纖熔接機理的基礎上，建立了熔接損耗和熔接強度同熔接功率和熔接時間的關系模型，給出了光子晶體光纖同保偏光纖熔接的熔接參數，在此基礎上探索了提升光纖端面質量、偏移加熱源位置、追加加熱對熔接質量的影響。多次熔接結果表明，平均熔接損耗達到0.82 dB，平均熔接強度達到139 kpsi，能夠滿足宇航高可靠產品的應用需求。