光纤涂覆层高质量剥除的保证--藤仓公司剥除机PCS-100

7/27/2016，日本藤仓公司新型的剥除工具PCS-100，主要用于剥除光纤的涂覆层。通过对其剥除性能进行测试，包括聚酰亚胺涂覆层和丙烯酸酯涂覆层的剥除，PCS-100具有重复性高、抗拉强度高等特点。另外，PCS-100剥除的涂覆层边沿非常平整，有效解决了光纤激光器熔接点附近局部发热问题。

1. 引言
聚酰亚胺涂覆层光纤广泛应用在要求耐高温、抗化学腐蚀等工业领域中。这些应用涵盖了从油井、气田中的光纤传感器装配的工业应用到医学领域的内窥镜。在这些应用中，使用聚酰亚胺光纤的关键是去除聚酰亚胺涂覆层。已经存在的实现聚酰亚胺涂覆层剥除的方法，目前比较流行的是使用热硫酸和基于火焰燃烧剥除的化学方法。然而，这两种方法都有非常大的缺点。使用热硫酸的剥除方法要求有充分的文件说明，并且对操作人员非常危险；而使用火焰剥除聚酰亚胺涂覆层的方法经常导致裸露的光纤炭化。最近，日本藤仓公司发布了一款可以进行精确控制、机械剥除这种光纤的设备，聚酰亚胺剥除器PCS-100（如图1）。

                       图1. 日本藤仓公司聚酰亚胺剥除器（PCS-100）

1.1 标准剥除
PCS-100具有两种剥除方法：标准剥除和窗口偏移剥除。标准方法是用于普通光纤的准备，仅需要一个平整的涂覆层边沿。如果需要两个平整的边沿或要求再涂覆，建议使用窗口偏移剥除的方法（见1.2部分）。标准剥除和窗口偏移剥除，都需要两个关键的参数来优化剥除的质量：剥除的次数和刀的高度。剥除的次数是指刀片在光纤上剥除的次数。每剥除一次，光纤夹具平台旋转一定角度，这个角度由剥除的次数决定。例如，剥除次数为6次，说明刀片要在光纤上剥6次，光纤夹具平台就要以步长60度，旋转6次（公式1）。

f(x)=(360°)/x

公式1: 总剥除次数, “x”是剥除次数， f(x)是每次剥除后旋转的角度

刀片调试的是刀片的垂直位置，从-150um～150um可调。减小这个数值将使刀片更加接近光纤，相反，增加这个数值将使刀片远离光纤。完美的标准剥除可以通过观察最后的结果，优化这两个参数实现（表1）。

                               表1. PCS-100剥除优化指导

1.2窗口偏移剥除
当想得到两端干净平滑的涂覆层剥除效果时可以利用“窗口偏移剥除”功能，如果这个区域不平滑（如图2a），将会在再涂覆时形成空气间隙，从而影响最终产品的性能。图2b所示的为上下平滑对称的剥除，它有一个理想的表面。利用“窗口偏移剥除”功能可以达到这样的效果。

                             图2a-b. 聚酰亚胺光纤均匀剥除及非均匀剥除图例

“窗口偏移剥除”剥除过程主要是设置剥除时刀片的截止位置与设置长度的距离。这个距离是根据光纤类型等参数优化得到的，它称为窗口偏移。例如，如果想得到长度30mm两端平滑的光纤剥除效果，应将参数设置为剥除长度30mm及窗口偏移量4mm。这样设置后剥除时，刀片将停止在26mm处（如图3）。


图3. 窗口偏移：在这个过程中第一步从右到左，剥除停止的预定距离被称为窗口偏移

当光纤完成设定数量的旋转和剥除，右侧涂覆层边缘将是平滑的，这时左侧光纤是不平滑的。为了使左侧光纤也能够得到均匀的涂覆层剥除效果，并停止在设定的距离处，光纤夹具需要被拉回并将光纤进行重复处理（如图4a-c）。


图4. （从上到下）反转光纤夹具位置（a）松开右侧夹具位置（b）同时取出两次光纤夹具反向放置（c）重新装载左侧光纤夹具

当光纤夹具反转放置后，重复剥除过程。在反转光纤夹具前，要在右侧光纤处产生一个均匀的剥除面然后停止在图3所示的截止处。最终能够形成一个设定距离两端平滑的光纤剥除效果（如图2b所示）。


2. 特殊涂覆层剥除应用
2.1 聚酰亚胺涂覆层光纤
正如前文所述，聚酰亚胺涂覆层用于遍及石油、天然气和生物医学行业等需要耐高温、耐化学腐蚀的光纤应用场所。由于这些光纤的应用环境很不稳定，所以光纤剥除过程必需高度可控，包括涂覆层边缘在内的光纤必需剥除的干净，而且要能够达到可接受的抗拉强度。
光纤制造商Verrillon生产了多种类型可用于恶劣环境的光纤，尤其是单模和多模的聚酰亚胺涂覆层光纤（表2）。

                                表 2.  Verrillon   VHS300 和 VHM3000光纤规格

剥除质量的测试需要很多的数据，比如涂覆层边缘图像和抗拉强度测试数据。这两个参数是光纤剥除设备整体性能的重要参考指标。

涂覆层边缘质量是评估光纤剥除工具的一个重要方面。分界面平坦且没有任何碎片是最重要的(见1.2节)。任何偏离标准的变化都可能导致光纤出现气孔、切割角度差以及熔接质量低。

我们已经使用Verrillon公司的VHS300 和 VHM3000聚酰亚胺光纤对 PCS-100的剥除质量进行了大量测试。用于评估PCS-100剥除聚酰亚胺光纤性能的剥除参数请参照表3，此参数下，聚酰亚胺光纤具有高平均抗拉强度以及窄数值分布范围（图5，表4）。

                           表3. VHS300和 VHM3000 聚酰亚胺涂覆层光纤的剥除参数


 图5.  VHS300 和VHM3000 聚酰亚胺涂覆层光纤的抗拉强度显示增大拉力时光纤断裂的可能性


                         表 4.  Verrillon聚酰亚胺涂覆层光纤剥除损伤点抗拉强度数据分析

2.2丙烯酸酯涂层的光纤
丙烯酸酯涂层的光纤在光纤应用中无处不在。剥除这种纤维的传统方法一般是利用剥纤钳等剥除工具。虽然这种方法可以快速及时的剥除涂覆层，但会导致光纤的边缘质量变差（图6a）。使用PCS100剥除相同的光纤时，光纤边缘质量大幅改善（图6b）。


图6a-b. 光学显微镜下，用剥纤钳类剥除工具剥除的SMF丙烯酸酯涂层光纤剥除端的图像（左）和用PCS100 剥除的相同光纤剥除端的图像（右），箭头指示为涂层的边缘。

抗拉强度是衡量光纤剥除质量的另一个重要指标。剥除时刀片对光纤包层的任何损伤都会降低光纤的拉伸强度。对于丙烯酸酯涂层光纤，要求剥除涂覆层后抗拉强度高、变化幅度小（图7，表5）。

                      图7. 康宁SMF 28e+的抗拉强度，显示增加拉力时光纤断裂的可能性

                          表5. 康宁SMF 28e+光纤损伤点抗拉强度数据分析


2.3高功率光纤激光器中大芯径光纤剥除
         随着工业、军事等领域对激光功率的需求，光纤激光器的输出功率逐年提高，但在生产高功率光纤激光器的工艺过程中，大芯径光纤的剥除、熔接等关键工艺都影响着光纤激光器功率的进一步提升及产品的稳定性。如熔接时对光纤表面造成污染、剥除时涂覆层断面的不齐整及空气层都可能引发光纤激光系统中产生热点，造成产品不稳定，甚至烧损光路。如图8所示，不良的涂覆层剥除断面在低功率测试时发热。

                                      图8. 不良剥除断面测试时发热现象
经过反复试验发现，不良的涂覆层剥除是高功率光纤激光器中局部发热甚至烧毁光路的一个重要原因，而采用PCS-100进行剥除的光纤断面具有非常齐整平滑的切口（如图9所示），并且涂覆层不会与光纤产生分离上翘现象，有效的克服了高功率光纤激光器的局部发热问题，大大提高了产品的稳定性。

                                              图9. 20/400光纤PCS-100剥除断面

3. 总结
光纤光学已经广泛应用于诸多环境恶劣的工业领域。世界范围内对石油、天然气等资源开发的增长成为光纤在这些恶劣环境中使用的动力，尤其是对聚酰亚胺涂覆层光纤的特殊要求。随着这个趋势的发展，需要一种具有可重复的和精确的剥除聚酰亚胺的方法，用来实现与各种不同的温度传感器或压力传感器的装配。PCS-100可以实现高重复性、高品质、高抗拉强度的聚酰亚胺光纤的剥除。另外，这个设备还可以用于许多丙烯酸酯光纤涂覆层的剥除的应用，用于得到平坦光滑的涂覆层边沿从而再涂覆，使PCS-100成为一个在许多应用领域中的通用的光纤处理工具。


技术支持及凌云公司


凌云光技术集团与日本藤仓（Fujikura）合作始于2000年，目前藤仓公司特种熔接机产品已经成为中国市场行业主流产品，广泛应用于光纤通信、光纤传感和光纤激光器领域的各高校研究所及工业生产线。2008年凌云与藤仓在北京共同成立特种熔接机维修及培训中心，拥有全部系列的特种熔接机产品样机，全面负责其产品在本地化的服务和技术支持，为客户服务注入更多价值！

凌云光技术集团自1996年6月9日成立伊始，扎根于光纤通信与传感，视觉与图像等光电子技术方向, 以服务行业客户为宗旨，为国际上五十多家知名光电子公司在中国内地与香港地区做市场拓展、产品推广和应用技术服务。自2000年，开始在高端视觉图像和光通信领域进行专业地研发和生产。至今，凌云已经发展成为一个员工过1100人，产值逾10亿，自主品牌研发生产和国外品牌代理服务相结合的现代高科技企业。过去数年，集团加大新产品研发投入，超过10%的销售收入用于研发，使得自主产品处于行业领先地位，与国际领先品牌同场竞技，服务国内外高端客户，并成功进入国际市场。20年来，集团坚持以推动客户行业发展为己任，集体艰苦奋斗，深入理解客户需求，持续为客户提供具有创新价值的解决方案, 一直处于行业领先地位。集团形成光纤器件与仪器（FOCI），光通信接入网（FOAN），视觉器件（VIC）和工业视觉（IVS）四大事业部，分别在四个业务单元开拓事业。

凌云光技术集团光纤器件与仪器事业部，1996年成立，为Fujikura、   Finisar、Polatis、Multiphy、NKT Photonics、TeraXion、MultiLane、EXFO、SHF、VPI Photonics、General Photonics等二十多家世界著名的专业技术公司在中国做产品推广、应用技术支持和市场拓展等工作，事业部专注于40G/100G/400G/1T光传输系统、数据通信、光纤激光、微波光子学、集成光子学、空间光通信、激光雷达、光纤传感等诸多应用领域，为广大用户提供软件模拟、核心光器件，测试仪表等高端产品解决方案。