藤仓公司最新一代保偏光纤熔接机

    作者：Hiroyuki Taya,
Kenichiro Ito,
Takeshi Yamada 
and Mikio Yoshinuma  Fujikura Ltd
    译者：魏岱  北京凌云光子技术有限公司     
    校对：李鹏  北京凌云光子技术有限公司 
    在相干光通讯领域[1]和传感领域[2]的应用中，保偏光纤已成为一个热点。因此，熔接光纤时，低熔接损耗、低消光比损失的熔接技术已变得越来越重要。
    正是由此，我们开发了新型保偏光纤熔接机。FSM-45PM是一台全自动熔接机，不需任何额外设备辅助，如光源、起偏器、检偏器、功率计、光学传感器等。它采用公认的新型场检测技术——侧面投影对轴系统（PAS），可以实现平均熔接损耗0.06dB，平均消光比大于40dB的熔接。 
1. 引言
  　近年来，保偏光纤作为相干光通讯系统的传输介质以及光纤传感器件的应用引起了人们的极大兴趣。
    对于这些系统和器件，保偏光纤的熔接技术是不可或缺的。保偏光纤熔接机不仅要对齐X轴和Y轴，还要对齐偏振轴。保偏光纤的熔接技术至今都是靠监测透射功率来完成对轴的，这需要许多额外设备，如光源、起偏器、检偏器、功率计和光学传感器。此外，为了在光源端注入和探测端检测偏振光，起偏器和检偏器还要经过复杂的调节过程。因此，为了实现简易的熔接，我们提出了一种通过折射率剖面对准系统（PAS）来对轴的新型保偏光纤熔接方法。 
2. PANDA光纤的结构
    这里以PANDA（保偏和减吸型）光纤 [7,8] 为例。图1所示是PANDA光纤的结构图和折射率剖面图。应力区对称分布于纤芯的两侧，由热膨胀系数比包层高的玻璃制成。在拉制光纤的急速冷却过程中，由热膨胀系数差异引起的残留应力作用于纤芯，在光纤中引入了模式双折射。由于掺杂杂质，应力区折射率将会低于包层。
    
        图1. PANDA光纤横截面和折射率剖面图
    
        图2. 保偏光纤的偏振模式 
3. 对轴原理
   保偏光纤有两个正交偏振模HE11x和HE11y（图2），增强光纤中的双折射效应减少了这两个模式间的耦合。当HE11x模被激励到光纤的一个偏振轴传输，它的一部分光功率会转化为HE11y模。这两个传输模式间光功率的比率就叫做消光比，即
   消光比(dB)=10log(Px/Py)………………………………………(1)
   其中Px为 HE11x模输出功率，Py为 HE11y模输出功率。
   对于保偏光纤的熔接，最重要的就是避免消光比的降低。偏振轴必须以尽可能高的精度互相对准。图3给出了消光比和偏振轴错位角关系的变化曲线。偏振轴的错位角θ严重影响消光比，其关系可通过方程2给出[9]。
         P(dB)=10log(tan2θ)……………………………………(2)
　　　　
    　　　　图3. 消光比和错位角之间的关系 
　　　　
   　　　　 图4. 透射功率监测方法 
   当两侧光纤的偏振轴对轴一致时，消光比最大。当错位角为1.8度时，消光比将下降为30dB。在光纤传感的应用上，通常要求消光比达到20dB以上，因此，偏振轴的错位角必须小于5.7度。
   图4所示是以前的保偏光纤熔接系统[10]。它通过监测透射功率来调节偏振轴，需要很多额外设备。起偏器和检偏器由格兰－汤普森棱镜制成，以产生线偏振光。且起偏器和检偏器的偏振轴必须与光纤的偏振轴对准，以达到最大消光比。这些过程将耗费大约40分钟。
   为了实现简易的熔接程序，我们开发了使用PAS方法的新系统 [11]。图5画出了PAS的检测原理。这套系统已被用于单模光纤的纤芯对准，也可用于PANDA光纤的对准。系统包含一个光源、物镜和一个CCD相机。当光透过光纤时，由于应力区和包层的折射率差异，应力区会产生一个阴影，CCD相机可以捕捉到这些阴影。
　　　　
   　　　　 图5. PAS对齐原理 
   通过光线追迹方法的计算机模拟，可得出光强的分布图像。图6(a)中，应力区位于竖直位置。在光强分布上，两个高亮点对称分布于光纤中心的两侧，A和B分别是从中心到两个高亮点的距离。在这种情况下，A与B相等。这种情况也被定义为旋转角0度。
　　　　
  　　　　  图6. 保偏光纤PAS检测原理
    70度旋转角时，光强分布如图6(c)所示。与0度相比，距离A增大了，而距离B减小了。90度旋转角时{图6(e)}，两个高亮部分也像0度一样，对称的分布在中心两侧。但此时，A与B的值比0度时对应的值要大。
　　　　
 　　　　   图7. 间距差A-B与光纤旋转角的关系 
    图7示出了间距差A-B与光纤旋转角的变化关系，这些数据可通过计算机数值模拟得出。A-B的两个峰值出现在90度最低点处的两侧。在90度附近，A-B的斜率变得很大，通过观察间距差A-B，光纤可被精确的定位在90度。因此，通过这种方法熔接光纤时，两段光纤的偏振轴可被精确的对齐。
    图8给出了通过PAS方法，PANDA光纤在0度和90度时从X场观测到的图像。
　　　　
  　　　　  图8. PANDA光纤观察到的图像
4. 新一代保偏光纤熔接机FSM-45PM
    藤仓公司自1983年推出世界上第一台保偏光纤熔接机后，20年来不断改进创新，继10PM，20PM，20PMII，40PM后，2006年推出了第5代保偏光纤熔接机FSM-45PM。
    FSM-45PM的标准配置包括机主机、光纤压脚、光纤夹具、光纤涂覆层热剥除和高精度光纤切割刀等。此外，还可选配其他尺寸光纤的熔接配件，以及高拉力熔接配件。
    FSM-45PM的技术优势及特点：
    1）熔接时间短：PANDA光纤的典型熔接时间为45s；
    2）可实现高拉力熔接：典型拉断值20N；
    3）偏振串音低：PANDA光纤的典型串音为-47.5dB；
    4）熔接保偏光纤种类多：可熔接长飞、46所、法尔胜、北玻所等多种保偏光纤；
    5）窄弧放电，且具有扫描放电模式：有效解决模场失配问题；
    6）采用夹具夹持系统：配合不同型号夹具，熔接更稳定；
    7）精密的马达系统：共12个高精度马达，确保快速准确的完成找轴任务；
    8）具有手动模式，且开放底层，可通过RS-232接口实现电脑控制，并可通过GPIB接口连接熔接机和功率计，实现闭合控制对轴熔接；
    9）可通过内置的旋转角传感器实现任意角度的熔接，如下图所示；
　　　　
10）具有很多特殊熔接功能。
      ① Angled Cleaving Splice
      ② Aligning of Fiber’s Core Position
      ③ In-line Attenuation Splice
      ④ Tapered Fiber End
      ⑤ Sphered Fiber End 
    2007年，藤仓公司推出了大芯径保偏光纤熔接机FSM-45PM-LDF，自动熔接包层直径为80-500um，手动熔接可实现包层直径800um的光纤熔接，适用于高功率光纤激光器的生产和研究。 
    
5. FSM-45PM的熔接实例
    FSM-45PM具有共40种内置熔接程序，可方便实现PANDA型、TIGER型、Bow Tie型及多种其它型号光纤之间的自动、手动、功率计监测法熔接及衰减熔接。每种熔接模式中的各个参数均可由用户自行设置，例如：涂覆层和包层直径、切割长度、MFD值、光纤类型、对准方式、切割角度和损耗限定、估算损耗和消光比、放电强度和时间等等。用户可以根据光纤类型和光纤的具体参数指标，方便的修改参数，以达到最佳的熔接效果。以125um PANDA型保偏光纤为例，几个典型的模式调整如下图：
　　　　
    在45s的典型熔接时间内，整个对轴、熔接过程即可自动完成。实测平均熔接损耗0.06dB，平均消光比大于40dB。典型熔接效果如下图所示： 
　　　　
 6. 结论
    新型熔接机FSM-45PM采用侧面投影对轴系统实现保偏光纤的熔接。这台熔接机的优点就是可以不需任何光源，起偏器，检偏器，功率计和光学传感器，就可实现偏振轴和x, y轴的对齐。实现保偏光纤实测平均熔接损耗0.06dB，平均消光比大于40dB（PANDA型）的熔接。这款保偏光纤熔接机FSM-45PM体积小、重量轻、对轴精度高、熔接时间短，使用方便简单、性能稳定可靠。底层开放的功能，可以使客户根据具体使用需要进行二次开发，搭建闭环控制系统，以达到更精确的对轴精度、解决光纤偏芯等问题。其技术优势远远领先于其他同类产品。