光纤端面处理要使用的工具为（）

A.断线钳

B.光纤切割刀

C.光纤护套剥除器

D.清洗工具

光纤端面处理、连接、耦合与焊接技术

  在光纤的安装中常常需要对其端面进行处理，在光纤连接时常要考虑最佳耦合，如光纤焊接等，这些工艺质量将直接关系到光纤传输的效率。因此，加强这些操作技能的训练，对用好光纤是大有帮助的。

  实验目的

  (1)掌握光纤头平整端面处理技术。

  (2)掌握光纤与光纤之间的耦合调试技术，体会光纤横向和纵向偏差对光纤耦合损耗的影响。

  (3)掌握光纤焊接的基本技术。

  实验内容

  (1)光纤端面处理。

  (2)光纤连接、耦合及调试。

  (3)光功率测试。

  (4)光纤焊接及接点损耗计算。

  实验仪器器材

  (1)光纤熔接机及电源。

  (2)尾纤输出半导体激光器(LD)及电源。

  (3)功率计。

  (4)显微镜。

  (5)刀片与金刚刀。

  (6)V形槽。

  (7)光纤调整架。

  (8)光电探测器件。

  (9)万用表。

  实验原理

  1．光纤的基本结构及类型

  光纤(Optic fiber)，是光导纤维的简称，它能够将进入光纤一端的光线传送到光纤的另一端。光纤是一种多层介质结构的对称柱体光学纤维，它一般由纤芯、包层、涂覆层与护套层构成。

  纤芯与包层是光纤的主体，对光波的传播起着决定性作用。纤芯多为石英玻璃，直径一般为5～75μm，材料主体为二氧化硅，其中掺杂其他微量元素，以提高纤芯的折射率。包层直径很小，一般约为100～200μm，其材料主体也为二氧化硅，但折射率略低于纤芯。

  涂覆层的材料一般为硅酮或丙烯酸盐，主要用于隔离杂光。护套的材料一般为尼龙或其他有机材料，用于提高光纤的机械强度，保护光纤。一般，没有涂覆层和护套的光纤，则称为裸纤。

  光纤的种类很多，从不同的角度出发，有不同的分类。一般，有以下四种分类：

  ①按光纤材料可分七种：石英系光纤；多组分玻璃光纤；氟化物光纤；塑料光纤；液芯光纤；晶体光纤；红外材料光纤等。

  ②按传输模式多少可分二类：单模光纤与多模光纤。

  ③按光纤工作波长可分三种：0.8～0.9μm的短波长光纤；1～1.7μm的长波长光纤；2μm以上的超长波长光纤。

  ④按光纤横截面上折射率的分布可分二类：阶跃型(突变型)光纤；梯度型(自聚焦或渐变型)光纤。

  阶跃光纤及其纤芯折射率径向分布函数，在纤芯和包层两种介质内部，折射率均匀分布，即n₁、n₂均为常数，因此在纤芯与包层的分界处折射率产生阶跃变化。

  梯度光纤的纤芯折射率沿径向呈非线性规律递减，故亦称渐变折射率光纤。

  2．光纤端面处理技术

  在光纤的各种应用中，光纤端面处理是一种最基本的技术，光纤端面处理的形式可分为两种：平面光纤头与微透镜光纤头。前者多用于各种无源器件以及光纤的连接与接续；后者多用于光纤和各种光源探测器件之间的耦合。光纤端面处理的基本步骤是：

  (1)涂覆层剥除

  在制备光纤头之前，首先要剥除一段光纤的套塑层与预涂覆层(约20～30mm长)，使光纤头与刀口之间成一小角度，用左手拇指将光纤头压到刀口上，右手拉动光纤即可剥除套塑层。另外一种方法是将光纤头在塑料溶剂中浸泡几分钟，然后用脱脂棉擦除套塑层。

  预涂覆层的剥除也可采用类似的方法进行。在剥除套塑层和预涂覆层之后，要用脱脂棉沾乙醇/乙醚混合液将光纤头清洗干净，才能进行下一步光纤头的处理。

  (2)光纤头制备

  1)平面光纤头的制备：

  对于平面光纤头的基本要求是，光纤端面是一个平整的镜面，且必须与光纤纤轴垂直。因此，将光纤简单地“一刀两断”是不行的，必须根据光纤的材料与品种选择合适的端面处理技术。对于石英光纤，制备平面光纤头的常用方法有：加热法、切割法和研磨法。

  加热法是一种最原始也是最简单的方法，同时在一般情形下也是行之有效的，且尤为适合于100μm以上直径的粗光纤。这种方法依据的原理是，光纤受局部加热产生的应力突变会使其沿直径方向解理，从而形成所需镜面。制作时，首先将已剥除套塑层和预涂覆层的裸光纤头在电弧(或其他热源如酒精灯)下均匀加热，然后迅速用镊子(或相当的工具)夹住光纤端部弯曲折断即可。利用此方法制备光纤头的成功率一般较低，需要有相当的经验才能获得满意的结果。

  切割法是利用钻石或金刚石特制的光纤切断刀，先在光纤侧表面垂直与纤轴轻轻刻一小口，然后施加弯曲应力拉动光纤使其折断。利用这种方法制备平面光纤头的成功率一般较高，稍加训练即可获得满意的效果。因此，已成为目前最常用的光纤头处理技术。而且技术人员已利用切割法的原理制成了“光纤切割钳”，集剥除与切割于一体，使用十分方便。

  研磨法是一种更为精密的光纤端面制备技术。它不仅可以使光纤端面更为接近于理想镜面，而且还可以克服“切割法”和“加热法”不易保证光纤端面与纤轴垂直的缺憾，使光纤端面倾斜角降至几十秒以下。研磨法涉及极为复杂的光学加工技术，其基本过程为：

  ①套管加固：将剥除了涂覆层的光纤套入保护套管之中制成光纤插针，以备光学加工。保护套管一般分为内套管、中间过渡套管与外套管三层。内套管采用精密拉制的玻璃毛细管，其内径与光纤包层直径相当，外径与过渡套管内径相当。过渡套管与外套管一般采用特制的不锈钢管，对其内外径几何尺寸与公差有较苛刻的要求。在每一层套管之间用环氧树脂胶加固，并需要精密调节对中，以保证光纤与各层套管同轴。但由于调节环节较多，光纤在套管中的角向偏移，仍不可避免。

  目前，人们已经采用了一种更为先进的“陶瓷套管”加固技术，利用特殊配方的陶瓷和精密模具成形技术，直接制成内径125μm，外径2.8mm的精密套管，消除了在套管中的角向偏移。以这种方法制备的光纤插针，已经问世并获应用。

  ②模具加工：已制成的光纤插针，要用合适的模具固定夹持，才能进行光学冷加工。模具的质量是影响光纤端面倾斜度的重要因素。模具材料的硬度，要与光纤材料相匹配。夹持机构，要保证插针与模具盘研磨面垂直，并便于安装和拆卸。

  ③研磨抛光：一般，可以采用常规的光学冷加工技术，对光纤端面进行研磨与抛光，使之成为完美的镜面。在加工过程中，要随时检测光纤端面的垂直度，以获得最小的端面倾斜角。

  2)微透镜光纤头的制备：

  所谓微透镜光纤头是指在光纤端部制作一微透镜，以提高光纤接收光源功率，或使光纤输出光功率更有效地会聚于光探器的光敏面上。微透镜制备方法可分为两种：烧球和点球。

  ①烧球是对已制备好的平整光纤面进行加热(用电弧放电或其他方法)，使端部软化，并成为一个半球形微透镜。在加热过程中，往复移动加热源和改变加热温度，可以获得不同曲率半径的透镜。

  ②点球是将已制备好的平整光纤端面浸入熔融的石英玻璃或光学环氧树脂之中点蘸一微透镜。通过控制浸入深度与提升速度，可获得不同形状的微透镜。通过改变微透镜材料，还可获得不同的透镜折射率，以适应不同场合光纤耦合的需要。

  为了进一步提高光纤微透镜的耦合效率，还可将光纤头先拉制成锥形，然后再在锥端部制作微透镜。这样，可使得透镜的曲率半径大为减小，会聚能力大大提高。光纤拉锥的方法有三种：

  第一种是磨消法，采用特殊的加工工艺将光纤的包层磨削成椎体，使锥端直径等于或略大于纤芯直径。

  第二种是腐蚀法，将光纤头浸入氢氟酸(或其他酸性溶剂)之中，由于腐蚀作用会使光纤头成为尖锥形状，然后对锥端进行切割处理。

  第三种是加热拉锥法，利用电弧放电加热光纤，同时向两侧拉动光纤直至断开，即可形成锥形光纤头。后一种方法中，光纤的纤芯也会随包层一起变细成为椎体，从而使得在其中传播的光波场分布及传播特性发生改变。

  不同参数的光纤微透镜，其耦合效率有很大的差异。应精心设计光纤锥长和微透镜曲率半径，以提高耦合效率。此外，光纤微透镜的反馈作用对半导体激光器(LD)的不利影响也是一个应考虑的重要因素。往往耦合效率高的透镜，其光反馈也强，因此在两者之间要进行合理的选择。

  (3)光纤头质量的检验

  光纤微透镜质量的好坏可依据其与LD耦合时损耗的大小来判定。方法是：取一横模特性好的LD芯片作为光源，首先测试其输出光功率，记为P₁；然后保持该功率恒定不变(通常应对LD施行温度与功率自动控制)，用微调架调整光纤微透镜，使其与LD芯片对准，在光纤的输出端，进行扰模和滤模，以剔除包层模和高阶模功率，然后测试光纤输出光功率，并精心调节使其达到最大，记为P₂，则光纤的耦合损耗α(单位为dB)为

  α=log(P₂/P₁)(26-1)

  由此可知，α越小，则光纤微透镜质量越好。检验平面光纤端面的最直观的方法，是向光纤中注入He-Ne激光，观察由光纤输出的光斑质量，即可判定光纤端面的质量。一个好的光纤端面，其输出光斑应是圆对称的，边缘清晰，且与光纤轴线方向垂直。如果端面质量不高，则输出光斑就会发生散射或倾斜。另一种更为精密的方法，是利用高倍率显微镜来进行检验。首先，正面观察光纤端面，其表面应均匀，无裂纹，圆周轮廓清晰；然后，侧面观察光纤并转动光纤，其端部边缘应整齐，无凹陷或尖劈，且边缘与纤轴垂直。

  3．光纤连接耦合技术

  光纤的连接藕合是光纤应用中的实用技术，在此简要介绍光纤与光纤的连接、光源与光纤的耦合技术。

  (1)光纤与光纤的连接

  图看起来是十分简单的问题，但它十分重要，而且也是不大容易解决的问题。它的重要性体现在，若连接不好，会使接点的损耗增加，并直接影响系统的传输距离。它的难度性表现为光纤是介质材料，连接要用特殊的手段，加之光纤芯径的几何尺寸很小，因而要求连接时，要有很高的对准精度等。

  光纤间的连接分为永久连接和活动连接。永久连接即固定接头，一般用于线路中光纤与光纤的连接。活动连接使用活动接头，一般用于机器与线路以及需要经常拆装的连接。不管是哪一种连接方式，其主要要求是一样的，即应具有低的损耗。

  1)永久连接

  永久连接一般分为黏结剂连接和热熔接两种方式，都需要V形槽或精密套管，将光纤中心对准后加黏结剂使之固化，或者采用二氧化碳激光器或电弧放电等热熔光纤对接，即焊接，使之连接起来，这种接头损耗可低达0.1dB水平。

  工程上用得最多的还是焊接。该装置是利用电弧放电产生的高温，将预先对准的光纤纤芯熔化，而使之焊接起来。由于纤芯很细，其操作过程都是在显微镜下进行的。

  显然，连接焊点的好坏，直接决定连接的损耗。如焊接点的芯径失配，折射率分布失配，同心度不良以及横向错位，轴向角偏差，以及端面的污染等，都可能使接点损耗增加。因此，固定焊接时，要求很高的几何精度和工艺水平。一般情况下，这种接头损耗可低达0.1dB水平。

  2)活动连接

  活动连接主要用于仪器与线路，以及需要经常拆装的连接方便。光纤活动连接器的类型也很多，主要有单芯、双芯、多芯束状和单模、多模的光纤连接器等。若不考虑特殊设计，它们都包含有下列几个基本构件：插针体、用锁装置、后壳、压接套管和保护套。市场上可见到的连接器类型有十多种，仅单模光纤连接器就有直接接触型(PC型)、平面对接型(FC型)、矩形型(SC型)以及ST型等。一般，活动连接的平均损耗在0.25dB±0.1dB，最大损耗在0.5dB左右。

  (2)光纤的光耦合

  光纤的光耦合即光源与光纤的耦合，它是指把光源发出的光功率最大限度地输送进光纤中去。这是一个比较复杂的问题，涉及光源发出的光功率的空间分布、光源发光面积、光纤的收光特性和传输特性等。下面仅介绍一些耦合方法及其实用性评价。

  1)直接耦合

  所谓直接耦合，就是把一根端面的光纤直接靠近光源发光面放置。在光纤确定的情况下，耦合效率与光源种类关系密切。如果光源是半导体激光器，因其发光面积比光纤端面面积还小，只要光源与光纤面靠得足够近，激光所发出的光都能照射到光纤端面上。考虑到光源光束的发散角和光纤接收角的不匹配程度，一般耦合效率大约为20%。

  如果光源是发光二极管，情况更严重，因为发光二极管的发散角更大，其耦合效率基本上由光纤的收光角决定，即

  η=P/P₀=(NA)²  (26-2)

  例如，NA=0.14，则η=2%。为提高耦合效率，一种方法是在光源和光纤端面之间插入一块透镜，称为透镜耦合。

  2)透镜耦合

  透镜耦合方法能否提高效率?回答是可能提高，也可能不提高。这里面有一个耦合效率准则的概念。由几何光学定理可知，对于朗伯型光源(如发光二极管)，不管中间加什么样的系统，它的耦合效率不会超过一个极大值，即

  η_max=S_f/S_e·(NA)²  (26-3)

  式(26-3)表明，当发光面积S_e大于光纤接收面积S_f时，加任何光学系统都没有用，最大耦合效率可以用直接耦合的办法得到。当发光面积S_e小于光纤接收面积S_f时，加上光学系统是有用的，可以提高耦合效率，而且发光面积越小，耦合效率提高越多，在这个准则下，有如下一些透镜耦合方式。

 ，①光纤端面球透镜耦合：加透镜最简单的方法是将光纤端面做成一个半球形，使它起到短焦距透镜作用。

  可见，端面球透镜的作用是提高光纤的等效收光角，因而使耦合效率提高。这种耦合方法对突变型光纤效果很好，对折射率渐变型光纤则差一些。

  ②柱透镜耦合：半导体激光器所发出的光在空间是不对称的，在平行于PN结方向上光束比较集中(2θ∥为5°～6°)，在垂直于PN结方向上发散较大(2θ⊥为40°～60°)，所以直接耦合时效率不高。利用圆柱透镜可以使耦合效率有很大的提高。

  详细研究表明，当柱透镜半径R与光纤半径相同，激光器位于光轴上，且镜面位于z=0.3R时，可得到最大的耦合效率，约50%左右；如果激光器的位置在轴向上有偏离，则耦合效率明显下降。也就是说，这种耦合方式对激光器、圆柱透镜及光纤的相对位置的精确性要求很高。

  ③凸透镜耦合：将光源放在凸透镜的焦点上，使光变成平行光，然后再用另一个凸透镜将此平行光聚焦到光纤端面上。这种耦合器由两部分组成，每一部分各含一个凸透镜。因为是平行光，连接部分要求不高，调整、组装等都比较容易，使用比较方便。其耦合效率一般在5%左右。

  ④自聚焦光纤：用一段长为L_T/4的自聚焦光纤代替凸透镜，也可构成耦合器，一般是将光纤与自聚焦透镜胶合在一起，平行光进入自聚焦透镜，经聚焦全部进入光纤。这种耦合形式结构紧凑，稳定可靠，是较好的耦合形式。其耦合效率一般为50%左右。

  ⑤圆锥形透镜耦合：将光纤前端用腐蚀的办法做成逐渐缩小的圆锥形，或者用烧熔拉细的办法做成如图(b)所示的圆锥形，前端半径为a₁，光纤自身半径a_n，当光从前端以θ'_c角入射进光纤，经折射后以γ₁角射向界面A点。因界面为斜面，所以γ₂＜γ₁，如果锥面坡度不大，近似关系为

  sinγ_n-1/sinγ_n=a_n/a_n-1  (26-4)

  可以证明，有圆锥时光纤的接收角θ'_c与端面光纤的接收角θ_c之间的关系为

  sinθ'_c/sinθ_c=a_n/a₁  (26-5)

  式(26-5)表明，有圆锥透镜的光纤的数值孔径是平端光纤的a_n/a₁倍。只要前端面直径2a₁比光源面积大，这种耦合效率可高达90%以上。

  3)光纤全息耦合

  由于光纤全息片可以将光的波前互相变换，因此可以用来作为一种光纤耦合器。全息耦合器的制，经光纤的发散光束作为物光束，直射光束作为参考光束，用重铬酸明胶或乳化银照相胶片作为全息记录介质。这个全息片就是一个光纤耦合器，使用时要求与记录全息图时的参考光相共轭的激光束照射，会聚光束被再现，并耦合进光纤中去。原则上讲，这种耦合方法的耦合效率是非常高的。而实际上由于全息片的衰减，这种耦合方式的实际耦合效率与透镜相比并不优越。不过，它的最大优点是，可以作为多功能的光学元件来应用。

  下图所示为使用全息耦合器件的光纤传感系统。H₁起两个透镜和一个分束器作用，H₂则起两个透镜和一个合光器作用；H起两个透镜、分光镜、合光镜作用。显然，应用全息耦合器可使常规光纤传感器系统大为简化。

  4．光纤的分光与合光耦合器

  当光纤线路需要分路、合路以及多路之间发生耦合，如光纤干涉仪中需要将光束由一支变为两支或两支变为一支时，就需要使用光纤分光与合光耦合器。显然，这种光纤分光器与合光器的出现，有助于光学系统的集成化。下图所示为近期出现的一些光纤分光器、合光器。因为这种元器件是可逆的，只给出了一种光行进方向。也就是说，一个分光器反过来使用就是合光器。

  下面具体介绍一下常用的典型的光纤分光与合光的T形和X形结构的定向耦合器。T形常用于两条光路，分光与合光的场合，X形则用于两条以上的光路之间需要发生耦合的情况。

  ①一种T形耦合器的方案。该方案由棱镜组成，并且有如下的功能：当光线从1端口入射时，2，3端口按一定比例输出光功率，因此可用作光的分路器；反之，当从2，3端口入射光线时，从1端口得到合成的光功率输出，因此可作为合路器使用。2，3端口之间是相互隔离的。

  产生上述功能的原理十分简单，从1端口入射的光线，经过透镜后变成平行光束，垂直入射到棱镜的斜面上，该面上镀有一层厚分光模。当平行光束照射到膜上时，一部分光能通过膜层进入3端口，另一部分光能经膜层反射到2端口。控制镀膜层的厚度，可实现2，3端口光能输出的不同分配比例。其他功能可根据棱镜的透、反射作用去理解。

  T形耦合器的主要指标有：

  插入损耗：T形耦合器的插入损耗(单位dB)定义式

  式中，P₁，P₂，P₃分别为第1，2，3端口的输入或输出光功率。

  插入损耗的量级，目前国内产品可做到1.5～3dB，好的可以做到1dB以下。

  分光比：定义为：

  N₀=P₂:P₃

  一般可做到1:1，1:10或其他比例。

  隔离度：定义，P_2in为2端口输入的光功率；P_3o为3端口输出的光功率。

  除棱镜结构的T形耦合器以外，还有其他不同的形式，如光纤拼接式就是一种。该种形式的结构十分简单，它是将两根光纤的纤芯各磨去一部分，然后拼接起来，即可完成和棱镜型耦合器一样的功能。控制研磨的厚度和拼接的长度，可以控制2，3端口输出光功率的比例，

  ②X形光纤定向耦合器，最常见的是由双椎形椎体构成。两根光纤，在火焰的烧灼下扭转，最后熔成双椎体区，在此区域内，两根纤芯紧密的熔合在一起，从而能够产生光场之间的耦合。X形耦合器分光功率输入端(如1，2端)和耦合输出端(3，4端)，且输入端是相互隔离的。当从输入端之一输入光功率时，在所有输出端可以得到一定比例的光功率输出。

  X形耦合器有和T形耦合器一样的指标，

  双椎体形耦合器指标的量级和T形耦合器的差不多，这里不再重述。

  x形耦合器的端口数，可以多于4端。四根光纤构成的4×4端定向耦合器。目前国内已有8×8端和16×16端的产品出售，可用于光纤网络的多终端系统中

  实验装置

  光纤连接、耦合、调试与焊接实验系统，

B、光纤端面的清洁处理只能用无纺纸、镜头纸或脱脂长绒棉，以及专用工具

C、FC/PC型的活动光连接头决不能拧得太紧，否则光纤端面极易受伤

D、把尾纤拔出后，最好能用尾纤帽戴上

简述光纤端面处理的步骤？

A. 路由

B. 损耗

C. 美观

D. 防雷

A. 稀盐酸

B. 稀硫酸

C. 酒精

D. 精馏