【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 纖熔融的高溫（對(duì)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(qiáng)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(fèi)也大，所以使用得并不廣泛。也有使用各種火焰進(jìn)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(qiáng)度最好的光纖熔接頭。可惜的是使用各種火焰加熱時(shí)自動(dòng)控制比較困難，而且也不甚安全，所以還沒(méi)有得到普遍推廣應(yīng)用，僅在個(gè)別對(duì)光纖接頭強(qiáng)度有特高要求的場(chǎng)合使用。另外一種加熱方法就是通過(guò)電弧放電，在光纖端頭附近局部區(qū)域通過(guò)放電的方法產(chǎn)生高溫使光纖熔融。這種方法可以通過(guò)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。而且用這種方法所做的光纖接頭質(zhì)量好、損耗小、接頭的強(qiáng)度也不錯(cuò)。這種電弧熔接光纖的方法已經(jīng)在光纖熔接機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。2. 用光纖熔接機(jī)熔接光纖光纖熔接機(jī)的發(fā)展史，已經(jīng)經(jīng)歷了幾代商品過(guò)程，最早的光纖電弧熔接機(jī)，光纖的對(duì)中和熔接過(guò)程都是手動(dòng)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(jī)的對(duì)中調(diào)整和定位精度大大提高了。最初的多模光纖熔接機(jī)以光纖外層作基準(zhǔn)面進(jìn)行對(duì)中調(diào)整，以后發(fā)展成光功率監(jiān)測(cè)調(diào)整，現(xiàn)今的自動(dòng)對(duì)中熔接機(jī)融入了顯微攝像、微機(jī)技術(shù)和圖像校正等新技術(shù)，形成了“纖芯直視”式自動(dòng)熔接機(jī)，甚至可以一次熔接多根光纖。光纖熔接機(jī)必須具備下述性能：l 熔接機(jī)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(yīng)有極高的平行度。l 要有精密的微調(diào)功能，一般要求能在x、y、z三個(gè)方向上能進(jìn)行精密調(diào)整。l 電弧放電要穩(wěn)定，光纖熔接條件可調(diào)節(jié)，以適應(yīng)各類(lèi)光纖的熔接。(1) 光纖熔接前的準(zhǔn)備工作在光纖熔接的全過(guò)程中，需要精確地執(zhí)行許多操作，主要是三個(gè)方面，即光纖端面制備、光纖精密對(duì)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(xì)認(rèn)真地對(duì)待。l 光纖護(hù)層的去除。剝開(kāi)光纜，其中的光纖的外面可能還有兩層塑性保護(hù)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(hù)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(zhuān)用的割刀割斷然后用手拉去；在沒(méi)有專(zhuān)用工具時(shí)，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(hù)層必須用刀片來(lái)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(lái)去除。一種是機(jī)械方法，可用刀削去，也可用火焰把它燒掉，最好利用專(zhuān)用工具來(lái)剝除一次涂覆層，用機(jī)械方法剝除光纖的一次涂覆層，可能會(huì)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(jī)械強(qiáng)度大大降低；另一種方法是化學(xué)方法。用某種化學(xué)溶劑來(lái)去除光纖上的一次涂覆材料，根據(jù)不同的一次涂覆材料選用不同的化學(xué)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(shù)分鐘，這類(lèi)涂層便會(huì)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(lèi)涂覆層；當(dāng)光纖的一次涂層材料是有機(jī)硅樹(shù)脂時(shí)，需把它放在濃硫酯中浸泡，直到把有機(jī)硅樹(shù)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(shù)酯，那么就要用熱的（約200℃）強(qiáng)酸（如濃硫酸）來(lái)浸泡、去除。硫酸有很強(qiáng)的腐蝕性，使用時(shí)必須千萬(wàn)小心，務(wù)必慎用。光纖的一次涂覆層去除后，需仔細(xì)檢查一下一次涂覆層是不是已經(jīng)去除干凈了。一次涂層去除干凈以后，用蘸有酒精（無(wú)水乙醇）或丙酮的紗布或脫脂棉捏住光纖輕輕擦洗，務(wù)必使去除了一次覆層的裸光纖外表面上沒(méi)有污染、水份及灰塵，否則會(huì)影響光纖熔接質(zhì)量，甚至出現(xiàn)氣泡。l 光纖端面切割。無(wú)論是光纖對(duì)接還是熔接，要獲得耦合損耗小的光纖高質(zhì)量接頭，被接光纖端面的質(zhì)量是關(guān)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(lái)獲取高質(zhì)量的光纖端面。當(dāng)然可以采用切割、研磨、拋光的方法來(lái)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(shí)使用。在光纖對(duì)接和熔接過(guò)程中現(xiàn)在都使用專(zhuān)門(mén)的光纖切割刀來(lái)制備光纖端面，現(xiàn)在商品光纖熔接機(jī)都附有性能很好的光纖切割器。高級(jí)的商用光纖切割刀，可以做出幾乎接近理想的高質(zhì)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(lèi)刀刃在光纖的要切斷部位處劃（或刻）痕，一旦光纖表面出現(xiàn)裂紋，光纖就會(huì)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(duì)光纖同時(shí)施加張力的情況下彎折光纖，光纖折斷后便獲得高質(zhì)量的光纖斷面。實(shí)際切割光纖時(shí)，對(duì)光纖施加的張力應(yīng)在正確的范圍內(nèi)，如對(duì)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(shí)要防止光纖受到扭轉(zhuǎn)（光纖的扭轉(zhuǎn)必須小于1cm），否則斷裂端面會(huì)出現(xiàn)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(guò)程可用圖113來(lái)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(zhì)量圖113 光纖端面切割過(guò)程在圖112中，已經(jīng)看到了切割光纖所得到的質(zhì)量，我們可以把光纖斷面分成三個(gè)區(qū)域，見(jiàn)圖114所示。(a) 劃痕點(diǎn)附近虛線內(nèi)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(diǎn)的對(duì)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(yīng)力F有關(guān)。 (114)式中，K是鏡面常數(shù)，；。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(yīng)力，才能使光纖斷裂；但是，所加的應(yīng)力不能太大，否則鏡面區(qū)域的半徑將太小。同時(shí)在光纖劃痕點(diǎn)的對(duì)面將出現(xiàn)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(diǎn)處的本地應(yīng)力F小于K/。但是無(wú)疑地，F(xiàn)必須大于0。否則在劃痕點(diǎn)的對(duì)面將形成唇邊。此外，應(yīng)力F必須與光纖的纖軸平行。應(yīng)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(yīng)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(yīng)力才能使光纖折斷，這樣得到的光纖端面質(zhì)量就不會(huì)高。但是，劃痕太重，會(huì)在端面上留下缺口，甚至直接弄斷光纖。對(duì)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(diǎn)處所受的張應(yīng)力最大，而后向周邊逐漸減小，只要直到劃痕點(diǎn)對(duì)面的應(yīng)力仍然大于零的話，這樣獲得的光纖切割端面的質(zhì)量是好的。對(duì)光纖施加張力的同時(shí)再?gòu)澢饫w，是通過(guò)光纖彎曲產(chǎn)生彎曲應(yīng)力,在光纖上實(shí)現(xiàn)上述應(yīng)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(guò)程，將有助于掌握手持光纖切割端面的方法。因?yàn)橛行﹫?chǎng)合受條件限制沒(méi)有很好的光纖切割刀，有些場(chǎng)合用手工切割光纖可以加速檢測(cè)過(guò)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(shí)，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?jǐn)喙饫w，手工切割光纖過(guò)程很簡(jiǎn)單，但仍需多加練習(xí)才能熟練掌握。特別要注意對(duì)光纖劃痕時(shí)，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(dá)到100％的成功率，因此在切割光纖以后，應(yīng)檢查一下光纖的端面質(zhì)量如何。一般在光學(xué)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(zhì)量情況，正如圖112所示的那樣。同時(shí)還可以看出光纖端面的清潔程度。一旦發(fā)現(xiàn)光纖端面質(zhì)量不好或被沾污時(shí)，應(yīng)重新清洗、切割，直到滿意為止?，F(xiàn)在商品光纖熔接機(jī)都有觀察監(jiān)視功能，光纖端面從正交的兩個(gè)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(jī)的光纖夾持器上并固定。光纖夾持器多為V形槽結(jié)構(gòu)，壓板由彈性材料做成。注意用壓板夾持光纖時(shí)，應(yīng)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(jī)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(jī)的夾纖機(jī)構(gòu)l 光纖對(duì)中。利用光纖熔接的精密微調(diào)機(jī)構(gòu)，將兩根要連接的光纖面準(zhǔn)確地對(duì)中?？梢愿鶕?jù)光纖的外表面作基準(zhǔn)面使被連接光纖對(duì)中；也可以根據(jù)透過(guò)的光功率大小為依據(jù)進(jìn)行對(duì)中；也可以以光纖纖芯中心為基線進(jìn)行對(duì)中。這一過(guò)程，在自動(dòng)光纖熔接機(jī)上是由機(jī)器自動(dòng)完成的，調(diào)節(jié)范圍數(shù)十微米。一般，對(duì)中過(guò)程需在x、y、z三個(gè)方向反復(fù)進(jìn)行，直至達(dá)到一個(gè)最佳位置。有些光纖熔接機(jī)只有一維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（z方向）。l 放電。在光纖熔接機(jī)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(gè)電極間的火花放電。光纖自動(dòng)熔接機(jī)中，由微機(jī)自動(dòng)控制放電電流的大小和放電時(shí)間的長(zhǎng)短，甚至有的還通過(guò)氣壓傳感器自動(dòng)調(diào)整放電強(qiáng)度。圖116示出了電極之間放電電弧的強(qiáng)度分布。l 光纖的熔接過(guò)程。把光纖熔接起來(lái)是使光纖對(duì)中狀態(tài)固定下來(lái)的最好的一種定位方式，是獲得高質(zhì)量光纖接頭的最后的關(guān)鍵過(guò)程。圖116 電火花的電流分布自動(dòng)光纖熔接機(jī)中存儲(chǔ)有20多種熔接參數(shù)，使用時(shí)必須根據(jù)光纖類(lèi)型預(yù)先選用設(shè)定，有些可能要先經(jīng)熔接試驗(yàn)后，才能選定。光纖的放電熔接要在一定的條件下進(jìn)行，表11列出一些主要的熔接參數(shù)作參考。表11 光纖熔接參數(shù)光纖類(lèi)型熔接參數(shù)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(jìn)速度160μm/s50μm/s光纖推進(jìn)量20μm10μm預(yù)熱時(shí)間熔融時(shí)間3s1s光纖的熔接在放電過(guò)程中完成。先經(jīng)歷預(yù)熔階段。預(yù)熔時(shí)，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(yù)熱。光纖預(yù)熱同時(shí)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(shí)將一端的光纖向前推進(jìn)，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(shí)停止放電。光纖熔接的最佳溫度在1980～2140℃之間；熔接時(shí)間，一般來(lái)說(shuō)，多模光纖的熔融時(shí)間要長(zhǎng)些，約2～3秒；對(duì)單模光纖熔接時(shí)間可以短些，約1～2秒。整個(gè)熔接過(guò)程可以圖117概括。(1)初始定位 (2)除去定位件 (3)設(shè)置預(yù)熔間隙(4)光纖預(yù)熔 (5)推進(jìn)熔接 (6)熔接結(jié)束圖117 光纖熔接全過(guò)程這里必須指出，如果被熔接的光纖纖芯的偏心量較大時(shí)，用正常熔接條件熔接時(shí)，在接點(diǎn)處會(huì)由于光纖表面張力的緣故使原來(lái)已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)的纖芯產(chǎn)生偏移，見(jiàn)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(shí)，應(yīng)選用較短的熔接時(shí)間。但必須注意，光纖熔接時(shí)間太短，會(huì)因兩根光纖沒(méi)有充分融合在一起而影響光纖接點(diǎn)的牢度；熔融時(shí)間過(guò)長(zhǎng)以及光纖推進(jìn)量過(guò)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(xì)。l 熔接部位的增加。光纖的熔接部分現(xiàn)在是裸光纖，又經(jīng)過(guò)加熱處理，裸光纖本身的機(jī)械強(qiáng)度已經(jīng)降低。所以光纖熔接部位的機(jī)械強(qiáng)度低于整根光纖的機(jī)械強(qiáng)度。因此，通常要在光纖連接部位采取增強(qiáng)保護(hù)措施。最簡(jiǎn)單的增強(qiáng)措施是在光纖端面處理之前先套上一根有適當(dāng)長(zhǎng)度的硬套管，如鋼管、玻璃毛細(xì)管或硬塑料管，它們的內(nèi)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(nèi)注入快干膠封住。現(xiàn)在普遍采用圖119所示的那種熱收縮塑料套來(lái)增強(qiáng)。該管的內(nèi)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(nèi)、外管之間有一根直的鋼針。光纖穿在內(nèi)管中，在熔接好光纖以后，將該管移至加固部位并對(duì)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(jī)械強(qiáng)度由鋼針得到了加強(qiáng)。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(zhì)量。光纖熔接起來(lái)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(diǎn)位置。但熔接過(guò)后的光纖內(nèi)在質(zhì)量還是有了變化，主要在于：；。熔接光纖的強(qiáng)度測(cè)量與光纖抗拉強(qiáng)度測(cè)量方法一樣。光今先進(jìn)的光纖熔接機(jī)附帶有張力篩選功能。當(dāng)光纖熔接好以后，先經(jīng)過(guò)一定應(yīng)力的張力篩選，篩選通過(guò)以后再進(jìn)行套封增強(qiáng)。非熔接的石英玻璃光纖本身的拉斷強(qiáng)度可達(dá)到6～8kg/mm2，經(jīng)過(guò)電弧熔接過(guò)后光纖的強(qiáng)度在2～3 kg/mm2 ；， kg/mm2。光纖接頭的附加損耗（簡(jiǎn)稱光纖的接頭損耗）是評(píng)價(jià)光纖熔接點(diǎn)質(zhì)量的主要指標(biāo)。當(dāng)前市售的光纖自動(dòng)熔接機(jī)在熔接單模光纖時(shí)，用于連接多模光纖。l 光纖接頭損耗的測(cè)量?，F(xiàn)在，多數(shù)“纖芯直視”式自動(dòng)熔接機(jī)都有直接顯示熔接損耗的功能。必須指出，熔接機(jī)上所顯示的光纖接頭損耗值是熔接機(jī)根據(jù)光纖圖象分析光纖對(duì)準(zhǔn)情況后推算出來(lái)的，并不反映光纖接頭的真實(shí)損耗值，但也反映了熔接質(zhì)量的好壞。真正的接頭損耗應(yīng)以實(shí)際測(cè)量所得為準(zhǔn)。光纖接頭損耗的測(cè)量方法有多種，最基本的有剪斷法，最標(biāo)準(zhǔn)的是臨時(shí)接點(diǎn)法，最常用的是后向散射法（光時(shí)域反射儀法）。工程上比較實(shí)用的一種方法是測(cè)量整個(gè)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(shù)，就得出了平均接頭損耗。這種方法相當(dāng)實(shí)用，可惜的是無(wú)法知道每個(gè)光纖接頭各自的損耗大小。有一種方法是逐點(diǎn)監(jiān)測(cè)法。用光源給光纖發(fā)送傳輸光，在進(jìn)行光纖熔接之前，先用光纖功率計(jì)測(cè)量發(fā)送光纖的輸出光功率；然后在光纖熔接完之后測(cè)量接收光纖的輸出光功率。用這兩個(gè)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(diǎn)的損耗。每個(gè)