【文章內容簡介】 纖熔融的高溫（對石英玻璃光纖，其熔融連接溫度要2000℃以上）。也可以有用大功率激光器，如CO2激光器的激光束加熱光纖，這可以獲得非常清潔的加熱狀態(tài)，很適宜于做高強度光纖接頭。但是使用激光束加熱的激光器輔助裝置較為龐大，花費也大，所以使用得并不廣泛。也有使用各種火焰進行加熱的，如丁烷氧焰，氫氣火焰，氫氧焰，氫氯焰，氫氯氧焰等等。特別是氫氯焰，能做出強度最好的光纖熔接頭?？上У氖鞘褂酶鞣N火焰加熱時自動控制比較困難，而且也不甚安全，所以還沒有得到普遍推廣應用，僅在個別對光纖接頭強度有特高要求的場合使用。另外一種加熱方法就是通過電弧放電，在光纖端頭附近局部區(qū)域通過放電的方法產生高溫使光纖熔融。這種方法可以通過控制電弧的放電電流而很方便地得到不同的溫度，所以很容易實現自動控制。而且用這種方法所做的光纖接頭質量好、損耗小、接頭的強度也不錯。這種電弧熔接光纖的方法已經在光纖熔接機中得到了廣泛的應用。2. 用光纖熔接機熔接光纖光纖熔接機的發(fā)展史，已經經歷了幾代商品過程，最早的光纖電弧熔接機，光纖的對中和熔接過程都是手動操作的。從只適用于多模光纖發(fā)展到適用于多模光纖單模光纖的熔接，光纖熔接機的對中調整和定位精度大大提高了。最初的多模光纖熔接機以光纖外層作基準面進行對中調整，以后發(fā)展成光功率監(jiān)測調整，現今的自動對中熔接機融入了顯微攝像、微機技術和圖像校正等新技術，形成了“纖芯直視”式自動熔接機，甚至可以一次熔接多根光纖。光纖熔接機必須具備下述性能：l 熔接機必須具有能固定光纖的精密光纖夾具，放置發(fā)射光纖和接收光纖的夾具的軸向應有極高的平行度。l 要有精密的微調功能，一般要求能在x、y、z三個方向上能進行精密調整。l 電弧放電要穩(wěn)定，光纖熔接條件可調節(jié)，以適應各類光纖的熔接。(1) 光纖熔接前的準備工作在光纖熔接的全過程中，需要精確地執(zhí)行許多操作，主要是三個方面，即光纖端面制備、光纖精密對中和光纖的熔接和定位。在光纖熔接之前，光纖涂層的去除、清潔及端面制備工作必須仔細認真地對待。l 光纖護層的去除。剝開光纜，其中的光纖的外面可能還有兩層塑性保護層。一般，最外層是光纖的二次被覆層，二次被覆層可能是緊套的尼龍護層，也可能是松套的聚丙烯()、聚酯(PBT)、聚四氟氯乙烯(FEP)等塑料套管。這二次被覆層可以用專用的割刀割斷然后用手拉去；在沒有專用工具時，用單面或雙面刀片割斷被覆層，用手拉去套管。但除去緊套的尼龍護層必須用刀片來削除。緊貼著石英玻璃光纖外表面上還有一層塑料涂層，即光纖的一次涂覆層，這一層涂覆材料一般用兩種方法來去除。一種是機械方法，可用刀削去，也可用火焰把它燒掉，最好利用專用工具來剝除一次涂覆層，用機械方法剝除光纖的一次涂覆層，可能會損傷石英玻璃光纖的外表面，特別是用火焰方法去除涂層，將使光纖本身的機械強度大大降低；另一種方法是化學方法。用某種化學溶劑來去除光纖上的一次涂覆材料，根據不同的一次涂覆材料選用不同的化學溶劑；紫外固化(uv)的丙烯酸酯涂層，可以用二氯甲烷或二氯乙烷和三氯甲烷中任何一種作溶劑，將帶有涂層的光纖在溶劑中浸泡數分鐘，這類涂層便會溶脹，甚至脫落。用脫脂棉或紗布輕輕揩抹就能方便地去除這類涂覆層；當光纖的一次涂層材料是有機硅樹脂時，需把它放在濃硫酯中浸泡，直到把有機硅樹酯涂覆層全部溶解掉；如果光纖的一次涂覆層材料是環(huán)氧樹酯，那么就要用熱的（約200℃）強酸（如濃硫酸）來浸泡、去除。硫酸有很強的腐蝕性，使用時必須千萬小心，務必慎用。光纖的一次涂覆層去除后，需仔細檢查一下一次涂覆層是不是已經去除干凈了。一次涂層去除干凈以后，用蘸有酒精（無水乙醇）或丙酮的紗布或脫脂棉捏住光纖輕輕擦洗，務必使去除了一次覆層的裸光纖外表面上沒有污染、水份及灰塵，否則會影響光纖熔接質量，甚至出現氣泡。l 光纖端面切割。無論是光纖對接還是熔接，要獲得耦合損耗小的光纖高質量接頭，被接光纖端面的質量是關鍵。光纖連接，要求光纖端面必須平整、端面與纖軸垂直。要得到滿意的光纖端面，必須使用光纖切割刀等手段來獲取高質量的光纖端面。當然可以采用切割、研磨、拋光的方法來獲得平整的光纖端面，就像做光纖連接器那樣，但這種手段太繁雜，不能在要求快捷時使用。在光纖對接和熔接過程中現在都使用專門的光纖切割刀來制備光纖端面，現在商品光纖熔接機都附有性能很好的光纖切割器。高級的商用光纖切割刀，可以做出幾乎接近理想的高質量光纖端面，而且成功率也很高。這些光纖切割刀工具所用的光纖切斷方法基本上有兩種。一種是在施加有一定張力的光纖上用金剛石一類刀刃在光纖的要切斷部位處劃（或刻）痕，一旦光纖表面出現裂紋，光纖就會在所加張力的作用下在劃痕處崩斷，從而得到所要的平整端面。另一種是先在裸光纖上用刀刃劃痕，然后彎折光纖，或者在對光纖同時施加張力的情況下彎折光纖，光纖折斷后便獲得高質量的光纖斷面。實際切割光纖時，對光纖施加的張力應在正確的范圍內，如對外徑為φ125μm的石英玻璃光纖，所加的張力約100～300克。另外，必須注意，在彎折光纖時要防止光纖受到扭轉（光纖的扭轉必須小于1cm），否則斷裂端面會出現唇邊，或斷面粗糙，如圖112中所示的情況(a)和(b)。這種劃痕彎拉光纖的切割過程可用圖113來概括：(a)唇邊； (b)中間霧狀區(qū)右邊粗糙不平； (c)良好的端面圖112 光纖端面的質量圖113 光纖端面切割過程在圖112中，已經看到了切割光纖所得到的質量，我們可以把光纖斷面分成三個區(qū)域，見圖114所示。(a) 劃痕點附近虛線內的區(qū)域，其半徑為r，這是很平整的鏡面區(qū)域；(b) 鏡面區(qū)域邊緣附近的霧狀模糊區(qū)；(c)凹凸不平的粗糙區(qū)域，位于劃痕點的對面。光纖斷面上的鏡面區(qū)域的大小與光纖上所受到的本地應力F有關。 (114)式中，K是鏡面常數，；。從(126)式可知，在光纖上用金剛石劃痕以后，光纖上必須有足夠的應力，才能使光纖斷裂；但是，所加的應力不能太大，否則鏡面區(qū)域的半徑將太小。同時在光纖劃痕點的對面將出現上述(b)那樣的粗糙不平的區(qū)域。由公式(114)得，要使鏡面區(qū)域的半徑r≥a（a是光纖半徑），要求在端面上所有點處的本地應力F小于K/。但是無疑地，F必須大于0。否則在劃痕點的對面將形成唇邊。此外，應力F必須與光纖的纖軸平行。應力F與纖軸不平行的后果是形成非零端面角（即端面與纖軸不垂直）。這樣，光纖上所加應力σ的范圍是0＜F＜K/。若在光纖上劃痕太輕，那么需要加比較大的應力才能使光纖折斷，這樣得到的光纖端面質量就不會高。但是，劃痕太重，會在端面上留下缺口，甚至直接弄斷光纖。對于單用張力拉斷光纖的切割方法，為保證獲得鏡面似的端面，需加較重的劃痕，使在劃痕點處所受的張應力最大，而后向周邊逐漸減小，只要直到劃痕點對面的應力仍然大于零的話，這樣獲得的光纖切割端面的質量是好的。對光纖施加張力的同時再彎曲光纖，是通過光纖彎曲產生彎曲應力,在光纖上實現上述應力狀態(tài)（E為光纖的楊氏模量，石英光纖的E=7000kg/mm2，R是彎曲半徑）。圖114 光纖斷面情況我們了解了光纖切割的斷面形成過程，將有助于掌握手持光纖切割端面的方法。因為有些場合受條件限制沒有很好的光纖切割刀，有些場合用手工切割光纖可以加速檢測過程。所以必須掌握光纖手工切割制備的技能。手工切割光纖時，手持裸光纖，用金剛石刀、紅寶石刀、或碳硅片的刀口以一定的力在裸光纖表面上劃（刻）痕，然后拗斷光纖，手工切割光纖過程很簡單，但仍需多加練習才能熟練掌握。特別要注意對光纖劃痕時，切割刀口必須與光纖軸要盡可能垂直。手工切割所得光纖端面的端面角在0～5176。之間。優(yōu)異的光纖切割器可以得到端面角小于1176。的光纖端面。光纖切割工具再好，也不可能達到100％的成功率，因此在切割光纖以后，應檢查一下光纖的端面質量如何。一般在光學顯微鏡下觀察光纖端面，從放大了的端面像能清楚地看出端面質量情況，正如圖112所示的那樣。同時還可以看出光纖端面的清潔程度。一旦發(fā)現光纖端面質量不好或被沾污時，應重新清洗、切割，直到滿意為止?，F在商品光纖熔接機都有觀察監(jiān)視功能，光纖端面從正交的兩個方向得到監(jiān)視。(2) 光纖的熔接l 裸光纖在制備好端面以后，就可放入光纖熔接機的光纖夾持器上并固定。光纖夾持器多為V形槽結構，壓板由彈性材料做成。注意用壓板夾持光纖時，應壓在光纖的未去除涂層的部分，不要夾在裸光纖上，以免光纖表面受到損傷或者甚至夾斷裸光纖。有些光纖熔接機的光纖裝夾，光纖是以一定的弧度放置的，這樣可以保證近光纖端面附近一段保證平直，如圖115所示。圖115 帶狀光纖熔接機的夾纖機構l 光纖對中。利用光纖熔接的精密微調機構，將兩根要連接的光纖面準確地對中?？梢愿鶕饫w的外表面作基準面使被連接光纖對中；也可以根據透過的光功率大小為依據進行對中；也可以以光纖纖芯中心為基線進行對中。這一過程，在自動光纖熔接機上是由機器自動完成的，調節(jié)范圍數十微米。一般，對中過程需在x、y、z三個方向反復進行，直至達到一個最佳位置。有些光纖熔接機只有一維調節(jié)機構（z方向）。l 放電。在光纖熔接機的電極上加上直流電壓、交流電壓或高頻電壓都能引起兩個電極間的火花放電。光纖自動熔接機中，由微機自動控制放電電流的大小和放電時間的長短，甚至有的還通過氣壓傳感器自動調整放電強度。圖116示出了電極之間放電電弧的強度分布。l 光纖的熔接過程。把光纖熔接起來是使光纖對中狀態(tài)固定下來的最好的一種定位方式，是獲得高質量光纖接頭的最后的關鍵過程。圖116 電火花的電流分布自動光纖熔接機中存儲有20多種熔接參數，使用時必須根據光纖類型預先選用設定，有些可能要先經熔接試驗后，才能選定。光纖的放電熔接要在一定的條件下進行，表11列出一些主要的熔接參數作參考。表11 光纖熔接參數光纖類型熔接參數偏心量≤1μm的單模光纖多模漸變光纖偏心量＞μm的單模光纖電極距離端面間距20μm10μm光纖推進速度160μm/s50μm/s光纖推進量20μm10μm預熱時間熔融時間3s1s光纖的熔接在放電過程中完成。先經歷預熔階段。預熔時，光纖的端面之間留有一定的空隙，在比正常熔接電流稍小的電流下放電。約在1700℃溫度下光纖端面被預熱。光纖預熱同時還除去了制備光纖端面后還殘留的污染物；然后，以正常的熔接電流放電，同時將一端的光纖向前推進，使兩根光纖的端面緊緊連接在一起，待它們完全融合在一起時停止放電。光纖熔接的最佳溫度在1980～2140℃之間；熔接時間，一般來說，多模光纖的熔融時間要長些，約2～3秒；對單模光纖熔接時間可以短些，約1～2秒。整個熔接過程可以圖117概括。(1)初始定位 (2)除去定位件 (3)設置預熔間隙(4)光纖預熔 (5)推進熔接 (6)熔接結束圖117 光纖熔接全過程這里必須指出，如果被熔接的光纖纖芯的偏心量較大時，用正常熔接條件熔接時，在接點處會由于光纖表面張力的緣故使原來已經對準的纖芯產生偏移，見圖118所示。圖118 偏心量大的光纖熔接情況所以，在熔接偏心量大的光纖時，應選用較短的熔接時間。但必須注意，光纖熔接時間太短，會因兩根光纖沒有充分融合在一起而影響光纖接點的牢度；熔融時間過長以及光纖推進量過多，又容易引起光纖發(fā)生形變，甚至使加熱區(qū)邊緣附近光纖變細。l 熔接部位的增加。光纖的熔接部分現在是裸光纖，又經過加熱處理，裸光纖本身的機械強度已經降低。所以光纖熔接部位的機械強度低于整根光纖的機械強度。因此，通常要在光纖連接部位采取增強保護措施。最簡單的增強措施是在光纖端面處理之前先套上一根有適當長度的硬套管，如鋼管、玻璃毛細管或硬塑料管，它們的內徑大于光纖外徑，光纖熔接好以后，將此管移至熔接部位完全套住接頭附近的裸光纖，在其內注入快干膠封住?，F在普遍采用圖119所示的那種熱收縮塑料套來增強。該管的內管是EVA熱熔軟塑料，可以填充裸光纖部位的空隙并起緩沖作用，外管是熱收縮塑料管（輻照聚乙烯材料）內、外管之間有一根直的鋼針。光纖穿在內管中，在熔接好光纖以后，將該管移至加固部位并對其加熱，輻照PE管收縮就牢牢地固定了套管的位置，裸光纖部分的機械強度由鋼針得到了加強。圖中也示出了這種套管的參考尺寸。圖119 光纖接頭用熱收縮套管l 光纖接頭質量。光纖熔接起來以后，外表根本看不出與原光纖有什么不同，好的接頭，即使在顯微鏡下也難于找出熔接點位置。但熔接過后的光纖內在質量還是有了變化，主要在于：；。熔接光纖的強度測量與光纖抗拉強度測量方法一樣。光今先進的光纖熔接機附帶有張力篩選功能。當光纖熔接好以后，先經過一定應力的張力篩選，篩選通過以后再進行套封增強。非熔接的石英玻璃光纖本身的拉斷強度可達到6～8kg/mm2，經過電弧熔接過后光纖的強度在2～3 kg/mm2 ；， kg/mm2。光纖接頭的附加損耗（簡稱光纖的接頭損耗）是評價光纖熔接點質量的主要指標。當前市售的光纖自動熔接機在熔接單模光纖時，用于連接多模光纖。l 光纖接頭損耗的測量。現在，多數“纖芯直視”式自動熔接機都有直接顯示熔接損耗的功能。必須指出，熔接機上所顯示的光纖接頭損耗值是熔接機根據光纖圖象分析光纖對準情況后推算出來的，并不反映光纖接頭的真實損耗值，但也反映了熔接質量的好壞。真正的接頭損耗應以實際測量所得為準。光纖接頭損耗的測量方法有多種，最基本的有剪斷法，最標準的是臨時接點法，最常用的是后向散射法（光時域反射儀法）。工程上比較實用的一種方法是測量整個光纖鏈路所有光纖接頭的平均損耗。其方法是整條光纖鏈路連接好以后，從光纖的鏈路的輸入光功率和輸出光功率值算出光纖鏈路的總損耗，從中減去光纖鏈路中的每段光纖的損耗后，除以鏈路上的總接頭數，就得出了平均接頭損耗。這種方法相當實用，可惜的是無法知道每個光纖接頭各自的損耗大小。有一種方法是逐點監(jiān)測法。用光源給光纖發(fā)送傳輸光，在進行光纖熔接之前，先用光纖功率計測量發(fā)送光纖的輸出光功率；然后在光纖熔接完之后測量接收光纖的輸出光功率。用這兩個光功率值算出總的光損耗，減去該段接收光纖的損耗（假定接收光纖的損耗是已知的），就得到了熔接點的損耗。每個