一種高可靠的光纖耦合器空頭光纖高回波損耗處理方法
2023-12-01 15:42:01 2
專利名稱：一種高可靠的光纖耦合器空頭光纖高回波損耗處理方法
技術領域：
本發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：
光纖陀螺儀及其他光纖傳感器由於其低耗損，抗力學、電磁、輻照等惡劣環境，響應迅速等特點，在海陸空天軍事領域及其它民用領域已獲得廣泛應用。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、光纖波分復用器等通過耦合的方式實現分光的光纖元器件，在這些光路方案中，光纖耦合器或光纖波分復用器的光纖埠中可能存在工作狀態下不使用的空置端，通常把這樣的光纖空置端稱為空頭光纖。
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傳輸情況的重要檢測點，在使用過程中需要保持高回波損耗的狀態(一般要求> 50dB)，以防止光信號通過光纖端面反射回光路中繼續傳輸，形成幹擾信號。一般情況下，光路中的空頭光纖採用通過碾碎等方式粗化端面，並將末梢光纖盤繞成小圈的方法增大光纖端面回波損耗，如圖I所示，即在小圈光纖內的光信號不再是全反射，大部分能量透射到光纖外部。這種工藝操作簡便，回波損耗參數的一致性較好，但由於小圈部分光纖的彎曲半徑很小(通常為3mm 4_)，所以彎曲產生的應力很大。小圈內的這段光纖始終處於較高的彎曲應力下，長期使用存在斷裂的隱患。當空頭光纖發生斷裂後，空頭的回波損耗會大幅度降低。在最嚴重的情況下，空頭光纖斷面的反射率達到4%。以圖I中的光纖陀螺儀光路為例，當空頭光纖斷面的反射率為4%時，從光纖耦合器空頭光纖反射回探測器的光功率將達到光源光功率的1%，這已經達到甚至超過了陀螺的光信號到達探測器的功率水平(不同設計參數的陀螺，其到達探測器的光信號水平有所不同)，導致探測器工作電壓增大、甚至飽和，從而導致陀螺精度性能大幅度退化甚至失效。對於其他光纖傳感器，也會存在類似的精度退化，甚至功能失效的風險。如需要避免上述光纖耦合器空頭光纖彎曲斷裂失效的問題，可採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，通過改變光信號在光纖端面的入射角，破壞光纖中的全反射條件實現高回波損耗特性。由於採用了這樣的光纖非彎曲方案，空頭光纖處於低使用應力條件下，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。上述方案仍有一個必須考慮的問題一般情況下，需要將光纖表面的塗敷層剝除掉，形成一定長度的裸光纖段，才可以進行高回波損耗光纖端面加工。在使用中，該部分裸光纖會受到環境的侵蝕，表面微裂紋擴張，光纖逐漸老化，其可靠性和使用壽命就大打折扣。在光纖製造行業中，把石英光纖本身與大氣環境隔絕開來的防護工藝技術是提高光纖使用壽命最行之有效的辦法，對空頭光纖進行密封封裝，隔離外界環境中水汽、酸鹼氣體加速空頭光纖老化，防止端面汙染，也是確保空頭光纖的穩定性和可靠性的重要途徑。裸光纖段的密封封裝一般採用熱縮防護技術，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。然而將該技術用於光纖耦合器空頭光纖封裝時，收縮的材料會將端面也緊密包裹起來，汙染了端面，使端面位置發生漫反射，從而導致了光纖端面的回波損耗降低。這個負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汙染，在密封封裝的同時，不降低空頭光纖的回波損耗。
發明內容
本發明的技術解決問題克服現有技術的不足，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，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。本發明的技術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。其相互位置關係為內套管2、加固棒3位於外套管1中，共同構成光纖熱縮管，光纖耦合器空頭光纖4需封裝端面的一端置於內套管2中，空腔5位於內套管2中封裝光纖的端面位置，實現過程的特徵在於步驟如下第一步，將光纖稱合器空頭光纖(4)的端面做高於50dB的高回波損耗處理；第二步，將光纖耦合器空頭光纖(4)套入內套管(2)，高回波損耗端面沒入內套管
(2)中，距離內套管端面的距離不小於3mm;第三步，將整個光纖熱縮管水平置於加熱檯面上，使加固棒(3)處於光纖熱縮管的底部位置，採用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，迅速冷卻加熱收縮後的光纖熱縮管，使光纖熱縮管在1 3s內恢復到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。所述構成光纖熱縮管中外套管(1)、內套管(2)由熱縮材料製成，加固棒(3)由熱膨脹係數小於1. 4X 10-5的剛性材料製成。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溶劑揮發冷卻，或是借用冷卻設備製冷冷卻，或是接觸低溫物體通過熱傳導冷卻。所述方法適用於光纖陀螺儀，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。所述方法適用於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用器。本發明與現有技術相比的優點在於本發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，同時對光纖耦合器空頭光纖進行密封封裝，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。由於採用了非彎曲的高回波損耗端面加工方法，同時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、以及使用環境下接觸到封裝材料和其他物體，避免端面汙損後形成漫反射後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，保持了光纖耦合器空頭光纖的高回波損耗特性，進而提高光纖陀螺儀及其他光纖傳感器的可靠性。
圖I為現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用情況示意圖。
圖2為本發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構示意圖。圖6為光纖光柵傳感器光路結構示意圖。
具體實施例方式現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用情況如圖I所示，其中6為光纖線圈、7為Y波導集成光學器件、8為光纖耦合器、9為光源、10為光電探測器、11為末梢盤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，使用應力大，長期使用下存在斷裂失效的風險。本發明採用了如圖2所示的方案，其中I為外套管，2為內套管、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採用了如圖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，通過改變光信號在光纖端面的入射角，破壞光纖中的全反射條件實現高回波損耗特性。由於耦合器空頭光纖的使用應力很小，可靠性較原有方案大幅提高。下面結合附圖對本發明進一步詳細說明。如圖2所示，本發明具體實現如下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末梢塗敷層剝離，並用無水乙醇將殘餘的塗敷層碎屑清洗乾淨，形成裸光纖。根據高回波損耗光纖端面加工選用的工藝方法，在處理後的光纖稱合器空頭光纖4末梢位置加工出高於50dB的高回波損耗端面(如圖3、圖4所示)。加工後剩餘裸光纖段的長度應比封裝材料短6mm以上。放大50倍以上觀察加工的端面，無突起、尖刺、凹陷、缺損等微觀缺陷。2、封裝材料選擇採用光纖熱縮管封裝加工後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、以及平行位於外套管內的內套管2和加固棒3組成。其中外套管I、內套管2由熱縮材料製成，加固棒3由熱膨脹係數小於I. 4X IO-5的剛性材料製成。3、光纖陀螺儀用光纖耦合器高回波損耗端面封裝將加工後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套管2中，裸光纖段兩端與光纖熱縮管兩端的距離不小於3mm。將整個光纖熱縮管水平置於加熱檯面上，使加固棒3處於光纖熱縮管的底部位置，採用200°C 300°C的溫度加熱光纖熱縮管，使其收縮在一起，待其收縮完畢後，迅速冷卻加熱收縮後的光纖熱縮管，使其在I 3s內恢復到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。由上述過程可知由於採用了非彎曲的高回波損耗端面加工方法，同時急速冷卻 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、以及使用環境下接觸到封裝材料和其他物體，避免端面汙損形成漫反射後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，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採用本發明方案，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波導集成光學器件、8為光纖耦合器、9為光源、10為光電探測器、11為末梢盤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為可調諧濾波器,18為光纖布拉格光柵(FBG)傳感器陣列，19是波長參考裝置。上述光路中都有用到光纖耦合器、光纖波分復用器等通過耦合的方式實現分光的光纖元器件，並且光纖耦合器或光纖波分復用器的光纖埠中也可能存在工作狀態下不使用的空置端，其中光纖耦合器空頭光纖11的處理方式均可採用本發明方案代替。需要說明的是，本發明方法的適用範圍是廣泛的，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，或是石英等無機材料的；本發明方案適用於光纖陀螺儀，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；本發明方案適用於光纖耦合器、以及光纖波分復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 ;本發明中的冷卻方法是借用有機溶劑揮發冷卻，或是借用冷卻設備製冷冷卻，或是接觸低溫物體通過熱傳導冷卻。本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
權利要求
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，其特徵在於所涉及的部件包括外套管(1)，內套管(2)、加固棒(3)、光纖耦合器空頭光纖(4)及空腔(5);內套管(2)、加固棒(3)位於外套管(I)中，共同構成光纖熱縮管，光纖耦合器空頭光纖(4)需封裝端面的一端置於內套管(2)中，空腔(5)位於內套管(2)中封裝光纖的端面位置，方法實現步驟如下 第一步，將光纖耦合器空頭光纖(4)的端面做高於50dB的高回波損耗處理； 第二步，將光纖耦合器空頭光纖(4)套入內套管(2)，高回波損耗端面沒入內套管(2)中，距離內套管端面的距離不小於3mm ； 第三步，將整個光纖熱縮管水平置於加熱檯面上，使加固棒(3)處於光纖熱縮管的底部位置，採用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，迅速冷卻加熱收縮後的光纖熱縮管，使光纖熱縮管在I 3s內恢復到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.根據權利要求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，其特徵在於所述構成光纖熱縮管中外套管(I)、內套管(2)由熱縮材料製成，加固棒(3)由熱膨脹係數小於I. 4X IO-5的剛性材料製成。
3.根據權利要求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，其特徵在於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.根據權利要求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，其特徵在於所述加固棒(3)的材料為金屬或石英。
5.根據權利要求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，其特徵在於所述光纖直徑是Φ 125 μ m、Φ80 μ m> Φ60 μ m或Φ40 μ m。
6.根據權利要求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，其特徵在於所述第四步中的冷卻方法是借用有機溶劑揮發冷卻，或是借用冷卻設備製冷冷卻，或是接觸低溫物體通過熱傳導冷卻。
7.根據權利要求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，其特徵在於所述方法適用於光纖陀螺儀，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.根據權利要求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，其特徵在於所述方法適用於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，置於光纖熱縮管中熱縮封裝，並在熱縮後迅速冷卻到室溫。由於採用了非彎曲的高回波損耗端面加工方法，同時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、以及使用環境下接觸到封裝材料和其他物體，避免端面汙損形成漫反射後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，保持了光纖耦合器空頭的高回波損耗特性，進而提高光纖陀螺儀及各類光纖傳感器的可靠性。
文檔編號G02B6/26GK102879861SQ20121035524
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月21日 優先權日2012年9月21日
發明者龍婭, 高峰, 丁東發, 許保祥, 臧華, 馬玉洲, 張振華, 隋國生 申請人:北京航天時代光電科技有限公司