專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高可靠的光纖耦合器空頭光纖高回波損耗處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高可靠的光纖耦合器空頭光纖高回波損耗處理方法。
背景技術(shù)：
光纖陀螺儀及其他光纖傳感器由于其低耗損，抗力學(xué)、電磁、輻照等惡劣環(huán)境，響應(yīng)迅速等特點(diǎn)，在海陸空天軍事領(lǐng)域及其它民用領(lǐng)域已獲得廣泛應(yīng)用。在許多光纖陀螺儀及其他光纖傳感器的光路方案中，如光纖電流互感器、光纖光柵傳感器等，都有用到光纖耦合器、光纖波分復(fù)用器等通過(guò)耦合的方式實(shí)現(xiàn)分光的光纖元器件，在這些光路方案中，光纖耦合器或光纖波分復(fù)用器的光纖端口中可能存在工作狀態(tài)下不使用的空置端，通常把這樣的光纖空置端稱(chēng)為空頭光纖。
光纖耦合器空頭光纖是了解光纖陀螺儀及其他光纖傳感器光路光信號(hào)傳輸情況的重要檢測(cè)點(diǎn)，在使用過(guò)程中需要保持高回波損耗的狀態(tài)(一般要求> 50dB)，以防止光信號(hào)通過(guò)光纖端面反射回光路中繼續(xù)傳輸，形成干擾信號(hào)。一般情況下，光路中的空頭光纖采用通過(guò)碾碎等方式粗化端面，并將末梢光纖盤(pán)繞成小圈的方法增大光纖端面回波損耗，如圖I所示，即在小圈光纖內(nèi)的光信號(hào)不再是全反射，大部分能量透射到光纖外部。這種工藝操作簡(jiǎn)便，回波損耗參數(shù)的一致性較好，但由于小圈部分光纖的彎曲半徑很小(通常為3mm 4_)，所以彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力很大。小圈內(nèi)的這段光纖始終處于較高的彎曲應(yīng)力下，長(zhǎng)期使用存在斷裂的隱患。當(dāng)空頭光纖發(fā)生斷裂后，空頭的回波損耗會(huì)大幅度降低。在最嚴(yán)重的情況下，空頭光纖斷面的反射率達(dá)到4%。以圖I中的光纖陀螺儀光路為例，當(dāng)空頭光纖斷面的反射率為4%時(shí)，從光纖耦合器空頭光纖反射回探測(cè)器的光功率將達(dá)到光源光功率的1%，這已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)了陀螺的光信號(hào)到達(dá)探測(cè)器的功率水平(不同設(shè)計(jì)參數(shù)的陀螺，其到達(dá)探測(cè)器的光信號(hào)水平有所不同)，導(dǎo)致探測(cè)器工作電壓增大、甚至飽和，從而導(dǎo)致陀螺精度性能大幅度退化甚至失效。對(duì)于其他光纖傳感器，也會(huì)存在類(lèi)似的精度退化，甚至功能失效的風(fēng)險(xiǎn)。如需要避免上述光纖耦合器空頭光纖彎曲斷裂失效的問(wèn)題，可采用非彎曲的空頭光纖高回波損耗加工方式，如圖3、圖4所示的光纖斜角或球形端面加工等，通過(guò)改變光信號(hào)在光纖端面的入射角，破壞光纖中的全反射條件實(shí)現(xiàn)高回波損耗特性。由于采用了這樣的光纖非彎曲方案，空頭光纖處于低使用應(yīng)力條件下，可以避免光纖斷裂失效，極大地提高光路空頭光纖的可靠性。上述方案仍有一個(gè)必須考慮的問(wèn)題一般情況下，需要將光纖表面的涂敷層剝除掉，形成一定長(zhǎng)度的裸光纖段，才可以進(jìn)行高回波損耗光纖端面加工。在使用中，該部分裸光纖會(huì)受到環(huán)境的侵蝕，表面微裂紋擴(kuò)張，光纖逐漸老化，其可靠性和使用壽命就大打折扣。在光纖制造行業(yè)中，把石英光纖本身與大氣環(huán)境隔絕開(kāi)來(lái)的防護(hù)工藝技術(shù)是提高光纖使用壽命最行之有效的辦法，對(duì)空頭光纖進(jìn)行密封封裝，隔離外界環(huán)境中水汽、酸堿氣體加速空頭光纖老化，防止端面污染，也是確?？疹^光纖的穩(wěn)定性和可靠性的重要途徑。裸光纖段的密封封裝一般采用熱縮防護(hù)技術(shù)，即在裸光纖段外套上熱縮材料，力口熱使熱縮材料收縮，緊密地將裸光纖段包裹起來(lái)。然而將該技術(shù)用于光纖耦合器空頭光纖封裝時(shí)，收縮的材料會(huì)將端面也緊密包裹起來(lái)，污染了端面，使端面位置發(fā)生漫反射，從而導(dǎo)致了光纖端面的回波損耗降低。這個(gè)負(fù)面的效果是需要避免的，這就需要在封裝的中避免光纖端面受到污染，在密封封裝的同時(shí)，不降低空頭光纖的回波損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高可靠的光纖耦合器空頭光纖高回波損耗處理方法，在避免光纖耦合器空頭光纖斷裂失效，提高光纖耦合器空頭光纖可靠性的同時(shí)，保持了光纖耦合器空頭光纖的高回波損耗特性，從而提高光纖陀螺儀以及其他光纖傳感器的可靠性。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種高可靠的光纖耦合器空頭光纖高回波損耗處理方法，如圖2所示，所涉及的部件包括外套管1，內(nèi)套管2、加固棒3、光纖耦合器空頭光纖4、以及空腔5。其相互位置關(guān)系為內(nèi)套管2、加固棒3位于外套管1中，共同構(gòu)成光纖熱縮管，光纖耦合器空頭光纖4需封裝端面的一端置于內(nèi)套管2中，空腔5位于內(nèi)套管2中封裝光纖的端面位置，實(shí)現(xiàn)過(guò)程的特征在于步驟如下第一步，將光纖稱(chēng)合器空頭光纖(4)的端面做高于50dB的高回波損耗處理；第二步，將光纖耦合器空頭光纖(4)套入內(nèi)套管(2)，高回波損耗端面沒(méi)入內(nèi)套管
(2)中，距離內(nèi)套管端面的距離不小于3mm;第三步，將整個(gè)光纖熱縮管水平置于加熱臺(tái)面上，使加固棒(3)處于光纖熱縮管的底部位置，采用200°C 300°C的溫度加熱光纖熱縮管，使光纖熱縮管收縮在一起；第四步，迅速冷卻加熱收縮后的光纖熱縮管，使光纖熱縮管在1 3s內(nèi)恢復(fù)到25 V ±5°C，在光纖耦合器空頭光纖(4)的高回波損耗端面和熱縮管端頭之間形成空腔
(5)，完成封裝。所述構(gòu)成光纖熱縮管中外套管(1)、內(nèi)套管(2)由熱縮材料制成，加固棒(3)由熱膨脹系數(shù)小于1. 4X 10-5的剛性材料制成。所述光纖耦合器空頭光纖(4)的高回波損耗端面是斜切或拋磨成的斜面，或是燒熔成的球面。所述加固棒(3)的材料為金屬或石英。所述光纖直徑是Φ 125 μ m、Φ 80 μ m、Φ 60 μ m 或 Φ 40 μ m。所述第四步中的冷卻方法是借用有機(jī)溶劑揮發(fā)冷卻，或是借用冷卻設(shè)備制冷冷卻，或是接觸低溫物體通過(guò)熱傳導(dǎo)冷卻。所述方法適用于光纖陀螺儀，以及含有光纖耦合器空頭的光纖傳感器的光纖電流互感器、光纖光柵傳感器。所述方法適用于光纖耦合器及含有耦合空置光纖端的光纖元器件的光纖波分復(fù)用器。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明涉及一種高可靠的光纖耦合器空頭光纖高回波損耗處理方法，通過(guò)將光纖耦合器空頭光纖加工成斜面或球面，避免了在使用條件下彎曲，同時(shí)對(duì)光纖耦合器空頭光纖進(jìn)行密封封裝，顯著提高了光纖耦合器空頭光纖的可靠性和使用壽命，如圖2所示。由于采用了非彎曲的高回波損耗端面加工方法，同時(shí)急速冷卻密封封裝的熱縮材料，使熱縮材料與耦合器空頭光纖高回波損耗端面之間形成空腔，避免高回波損耗端面在封裝中、以及使用環(huán)境下接觸到封裝材料和其他物體，避免端面污損后形成漫反射后改變端面的回波損耗，從而在避免光纖耦合器空頭光纖斷裂失效，提高光纖耦合器空頭光纖可靠性的同時(shí)，保持了光纖耦合器空頭光纖的高回波損耗特性，進(jìn)而提高光纖陀螺儀及其他光纖傳感器的可靠性。


圖I為現(xiàn)有的光纖耦合器空頭光纖處理方法在光纖陀螺儀光路中應(yīng)用情況示意圖。
圖2為本發(fā)明方案的光纖耦合器空頭光纖高回波損耗處理方法示意圖。圖3為高回波損耗的耦合器空頭光纖傾斜端面示意圖。圖4為高回波損耗的耦合器空頭光纖球形端面示意圖。圖5為光纖電流互感器光路結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為光纖光柵傳感器光路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)有的光纖耦合器空頭光纖處理方法在光纖陀螺儀光路中的應(yīng)用情況如圖I所示，其中6為光纖線圈、7為Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件、8為光纖耦合器、9為光源、10為光電探測(cè)器、11為末梢盤(pán)繞成小圈處理的光纖耦合器空頭光纖、I是入射光、Ir是反射光、It是透射光。通過(guò)將光纖耦合器空頭光纖末梢做小半徑彎曲，減小傳輸光信號(hào)的入射角，破壞全反射條件，使傳輸光透射到光纖外部，避免反射回光纖中。因光纖耦合器空頭光纖彎曲半徑小，使用應(yīng)力大，長(zhǎng)期使用下存在斷裂失效的風(fēng)險(xiǎn)。本發(fā)明采用了如圖2所示的方案，其中I為外套管，2為內(nèi)套管、3為加固棒、4為光纖耦合器空頭光纖、以及5為空腔。光纖耦合器空頭光纖4采用了如圖3或圖4所示的高回波損耗光纖端面加工方式。圖3、圖4中，12是光纖的包層、13是光纖的纖芯、I是入射光、Ir是反射光、It是透射光，通過(guò)改變光信號(hào)在光纖端面的入射角，破壞光纖中的全反射條件實(shí)現(xiàn)高回波損耗特性。由于耦合器空頭光纖的使用應(yīng)力很小，可靠性較原有方案大幅提高。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖2所示，本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)如下I、光纖耦合器空頭光纖高回波損耗端面加工按照光路方案將各光纖元器件連成指定光路。其中，將光纖耦合器空頭光纖4末梢涂敷層剝離，并用無(wú)水乙醇將殘余的涂敷層碎屑清洗干凈，形成裸光纖。根據(jù)高回波損耗光纖端面加工選用的工藝方法，在處理后的光纖稱(chēng)合器空頭光纖4末梢位置加工出高于50dB的高回波損耗端面(如圖3、圖4所示)。加工后剩余裸光纖段的長(zhǎng)度應(yīng)比封裝材料短6mm以上。放大50倍以上觀察加工的端面，無(wú)突起、尖刺、凹陷、缺損等微觀缺陷。2、封裝材料選擇采用光纖熱縮管封裝加工后的光纖耦合器空頭光纖4，如圖6所示，光纖熱縮管由外套管I、以及平行位于外套管內(nèi)的內(nèi)套管2和加固棒3組成。其中外套管I、內(nèi)套管2由熱縮材料制成，加固棒3由熱膨脹系數(shù)小于I. 4X IO-5的剛性材料制成。3、光纖陀螺儀用光纖耦合器高回波損耗端面封裝將加工后的光纖耦合器空頭光纖4的裸光纖段套入光纖熱縮管的內(nèi)套管2中，裸光纖段兩端與光纖熱縮管兩端的距離不小于3mm。將整個(gè)光纖熱縮管水平置于加熱臺(tái)面上，使加固棒3處于光纖熱縮管的底部位置，采用200°C 300°C的溫度加熱光纖熱縮管，使其收縮在一起，待其收縮完畢后，迅速冷卻加熱收縮后的光纖熱縮管，使其在I 3s內(nèi)恢復(fù)到250C ±5°C，在光纖耦合器空頭光纖4的高回波損耗端面和熱縮管端頭之間形成空腔5，完成封裝。由上述過(guò)程可知由于采用了非彎曲的高回波損耗端面加工方法，同時(shí)急速冷卻 密封封裝的熱縮材料，使熱縮材料與光纖耦合器空頭光纖4高回波損耗端面之間形成空腔5，避免高回波損耗端面在封裝中、以及使用環(huán)境下接觸到封裝材料和其他物體，避免端面污損形成漫反射后改變端面的回波損耗，從而在避免光纖耦合器空頭光纖4斷裂失效，提高光纖耦合器空頭光纖4可靠性的同時(shí)，保持了光纖耦合器空頭光纖4的高回波損耗特性。除了在光纖陀螺儀光路中代替現(xiàn)有的光纖耦合器空頭光纖處理方法以外，在其他多種光纖傳感器的光路中也可采用本發(fā)明方案，如圖5所示的光纖電流互感器光路，以及圖6所示的光纖光柵傳感器光路。圖5、圖6中，7為Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件、8為光纖耦合器、9為光源、10為光電探測(cè)器、11為末梢盤(pán)繞成小圈處理的光纖耦合器空頭光纖，14為延遲線圈，15為λ /4波片,16為傳感線圈，17為可調(diào)諧濾波器,18為光纖布拉格光柵(FBG)傳感器陣列，19是波長(zhǎng)參考裝置。上述光路中都有用到光纖耦合器、光纖波分復(fù)用器等通過(guò)耦合的方式實(shí)現(xiàn)分光的光纖元器件，并且光纖耦合器或光纖波分復(fù)用器的光纖端口中也可能存在工作狀態(tài)下不使用的空置端，其中光纖耦合器空頭光纖11的處理方式均可采用本發(fā)明方案代替。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明方法的適用范圍是廣泛的，所述密封封裝的光纖耦合器空頭光纖4的高回波損耗端面是斜切或拋磨成的斜面，或是燒熔成的球面；所述加固棒3的材料是金屬，或是石英等無(wú)機(jī)材料的；本發(fā)明方案適用于光纖陀螺儀，以及光纖電流互感器、光纖光柵傳感器等含有光纖耦合器空頭的光纖傳感器；本發(fā)明方案適用于光纖耦合器、以及光纖波分復(fù)用器等含有耦合空置光纖端的光纖元器件；所述光纖直徑是Φ 125 μ m、Φ80 μ m、Φ60 μ m、Φ40 μ m ;本發(fā)明中的冷卻方法是借用有機(jī)溶劑揮發(fā)冷卻，或是借用冷卻設(shè)備制冷冷卻，或是接觸低溫物體通過(guò)熱傳導(dǎo)冷卻。本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種高可靠的光纖耦合器空頭光纖高回波損耗處理方法，其特征在于所涉及的部件包括外套管(1)，內(nèi)套管(2)、加固棒(3)、光纖耦合器空頭光纖(4)及空腔(5);內(nèi)套管(2)、加固棒(3)位于外套管(I)中，共同構(gòu)成光纖熱縮管，光纖耦合器空頭光纖(4)需封裝端面的一端置于內(nèi)套管(2)中，空腔(5)位于內(nèi)套管(2)中封裝光纖的端面位置，方法實(shí)現(xiàn)步驟如下 第一步，將光纖耦合器空頭光纖(4)的端面做高于50dB的高回波損耗處理； 第二步，將光纖耦合器空頭光纖(4)套入內(nèi)套管(2)，高回波損耗端面沒(méi)入內(nèi)套管(2)中，距離內(nèi)套管端面的距離不小于3mm ； 第三步，將整個(gè)光纖熱縮管水平置于加熱臺(tái)面上，使加固棒(3)處于光纖熱縮管的底部位置，采用200°C 300°C的溫度加熱光纖熱縮管，使光纖熱縮管收縮在一起； 第四步，迅速冷卻加熱收縮后的光纖熱縮管，使光纖熱縮管在I 3s內(nèi)恢復(fù)到25 V ±5°C，在光纖耦合器空頭光纖(4)的高回波損耗端面和熱縮管端頭之間形成空腔(5)，完成封裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高可靠的光纖耦合器空頭光纖高回波損耗處理方法，其特征在于所述構(gòu)成光纖熱縮管中外套管(I)、內(nèi)套管(2)由熱縮材料制成，加固棒(3)由熱膨脹系數(shù)小于I. 4X IO-5的剛性材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高可靠的光纖耦合器空頭光纖高回波損耗處理方法，其特征在于所述光纖耦合器空頭光纖(4)的高回波損耗端面是斜切或拋磨成的斜面，或是燒熔成的球面。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高可靠的光纖耦合器空頭光纖高回波損耗處理方法，其特征在于所述加固棒(3)的材料為金屬或石英。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高可靠的光纖耦合器空頭光纖高回波損耗處理方法，其特征在于所述光纖直徑是Φ 125 μ m、Φ80 μ m> Φ60 μ m或Φ40 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高可靠的光纖耦合器空頭光纖高回波損耗處理方法，其特征在于所述第四步中的冷卻方法是借用有機(jī)溶劑揮發(fā)冷卻，或是借用冷卻設(shè)備制冷冷卻，或是接觸低溫物體通過(guò)熱傳導(dǎo)冷卻。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高可靠的光纖耦合器空頭光纖高回波損耗處理方法，其特征在于所述方法適用于光纖陀螺儀，以及含有光纖耦合器空頭的光纖傳感器的光纖電流互感器、光纖光柵傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高可靠的光纖耦合器空頭光纖高回波損耗處理方法，其特征在于所述方法適用于光纖耦合器及含有耦合空置光纖端的光纖元器件的光纖波分復(fù)用器。
全文摘要
一種高可靠的光纖耦合器空頭光纖高回波損耗處理方法，將光纖耦合器空頭光纖末梢位置加工出非彎曲的高回波損耗端面，置于光纖熱縮管中熱縮封裝，并在熱縮后迅速冷卻到室溫。由于采用了非彎曲的高回波損耗端面加工方法，同時(shí)急速冷卻密封封裝的熱縮材料，使熱縮材料與光纖耦合器空頭光纖高回波損耗端面之間形成空腔，避免高回波損耗端面在封裝中、以及使用環(huán)境下接觸到封裝材料和其他物體，避免端面污損形成漫反射后改變端面的回波損耗，從而在避免光纖耦合器空頭光纖斷裂失效，提高光纖耦合器空頭光纖可靠性的同時(shí)，保持了光纖耦合器空頭的高回波損耗特性，進(jìn)而提高光纖陀螺儀及各類(lèi)光纖傳感器的可靠性。
文檔編號(hào)G02B6/26GK102879861SQ20121035524
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月21日
發(fā)明者龍婭, 高峰, 丁東發(fā), 許保祥, 臧華, 馬玉洲, 張振華, 隋國(guó)生 申請(qǐng)人:北京航天時(shí)代光電科技有限公司