作者：Hiroyuki Taya,
Kenichiro Ito,
Takeshi Yamada 
and Mikio Yoshinuma  Fujikura Ltd
    譯者：魏岱  北京凌云光子技術(shù)有限公司     
    校對：李鵬  北京凌云光子技術(shù)有限公司 
    在相干光通訊領(lǐng)域[1]和傳感領(lǐng)域[2]的應(yīng)用中，保偏光纖已成為一個熱點(diǎn)。因此，熔接光纖時，低熔接損耗、低消光比損失的熔接技術(shù)已變得越來越重要。
    正是由此，我們開發(fā)了新型保偏光纖熔接機(jī)。FSM-45PM是一臺全自動熔接機(jī)，不需任何額外設(shè)備輔助，如光源、起偏器、檢偏器、功率計、光學(xué)傳感器等。它采用公認(rèn)的新型場檢測技術(shù)——側(cè)面投影對軸系統(tǒng)（PAS），可以實(shí)現(xiàn)平均熔接損耗0.06dB，平均消光比大于40dB的熔接。 
1. 引言
  　近年來，保偏光纖作為相干光通訊系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)以及光纖傳感器件的應(yīng)用引起了人們的極大興趣。
    對于這些系統(tǒng)和器件，保偏光纖的熔接技術(shù)是不可或缺的。保偏光纖熔接機(jī)不僅要對齊X軸和Y軸，還要對齊偏振軸。保偏光纖的熔接技術(shù)至今都是靠監(jiān)測透射功率來完成對軸的，這需要許多額外設(shè)備，如光源、起偏器、檢偏器、功率計和光學(xué)傳感器。此外，為了在光源端注入和探測端檢測偏振光，起偏器和檢偏器還要經(jīng)過復(fù)雜的調(diào)節(jié)過程。因此，為了實(shí)現(xiàn)簡易的熔接，我們提出了一種通過折射率剖面對準(zhǔn)系統(tǒng)（PAS）來對軸的新型保偏光纖熔接方法。 
2. PANDA光纖的結(jié)構(gòu)
    這里以PANDA（保偏和減吸型）光纖 [7,8] 為例。圖1所示是PANDA光纖的結(jié)構(gòu)圖和折射率剖面圖。應(yīng)力區(qū)對稱分布于纖芯的兩側(cè)，由熱膨脹系數(shù)比包層高的玻璃制成。在拉制光纖的急速冷卻過程中，由熱膨脹系數(shù)差異引起的殘留應(yīng)力作用于纖芯，在光纖中引入了模式雙折射。由于摻雜雜質(zhì)，應(yīng)力區(qū)折射率將會低于包層。
    
        圖1. PANDA光纖橫截面和折射率剖面圖
    
        圖2. 保偏光纖的偏振模式 
3. 對軸原理
   保偏光纖有兩個正交偏振模HE11x和HE11y（圖2），增強(qiáng)光纖中的雙折射效應(yīng)減少了這兩個模式間的耦合。當(dāng)HE11x模被激勵到光纖的一個偏振軸傳輸，它的一部分光功率會轉(zhuǎn)化為HE11y模。這兩個傳輸模式間光功率的比率就叫做消光比，即
   消光比(dB)=10log(Px/Py)………………………………………(1)
   其中Px為 HE11x模輸出功率，Py為 HE11y模輸出功率。
   對于保偏光纖的熔接，最重要的就是避免消光比的降低。偏振軸必須以盡可能高的精度互相對準(zhǔn)。圖3給出了消光比和偏振軸錯位角關(guān)系的變化曲線。偏振軸的錯位角θ嚴(yán)重影響消光比，其關(guān)系可通過方程2給出[9]。
         P(dB)=10log(tan2θ)……………………………………(2)
　　　　
    　　　　圖3. 消光比和錯位角之間的關(guān)系 
　　　　
   　　　　 圖4. 透射功率監(jiān)測方法 
   當(dāng)兩側(cè)光纖的偏振軸對軸一致時，消光比最大。當(dāng)錯位角為1.8度時，消光比將下降為30dB。在光纖傳感的應(yīng)用上，通常要求消光比達(dá)到20dB以上，因此，偏振軸的錯位角必須小于5.7度。
   圖4所示是以前的保偏光纖熔接系統(tǒng)[10]。它通過監(jiān)測透射功率來調(diào)節(jié)偏振軸，需要很多額外設(shè)備。起偏器和檢偏器由格蘭－湯普森棱鏡制成，以產(chǎn)生線偏振光。且起偏器和檢偏器的偏振軸必須與光纖的偏振軸對準(zhǔn)，以達(dá)到最大消光比。這些過程將耗費(fèi)大約40分鐘。
   為了實(shí)現(xiàn)簡易的熔接程序，我們開發(fā)了使用PAS方法的新系統(tǒng) [11]。圖5畫出了PAS的檢測原理。這套系統(tǒng)已被用于單模光纖的纖芯對準(zhǔn)，也可用于PANDA光纖的對準(zhǔn)。系統(tǒng)包含一個光源、物鏡和一個CCD相機(jī)。當(dāng)光透過光纖時，由于應(yīng)力區(qū)和包層的折射率差異，應(yīng)力區(qū)會產(chǎn)生一個陰影，CCD相機(jī)可以捕捉到這些陰影。
　　　　
   　　　　 圖5. PAS對齊原理 
   通過光線追跡方法的計算機(jī)模擬，可得出光強(qiáng)的分布圖像。圖6(a)中，應(yīng)力區(qū)位于豎直位置。在光強(qiáng)分布上，兩個高亮點(diǎn)對稱分布于光纖中心的兩側(cè)，A和B分別是從中心到兩個高亮點(diǎn)的距離。在這種情況下，A與B相等。這種情況也被定義為旋轉(zhuǎn)角0度。
　　　　
  　　　　  圖6. 保偏光纖PAS檢測原理
    70度旋轉(zhuǎn)角時，光強(qiáng)分布如圖6(c)所示。與0度相比，距離A增大了，而距離B減小了。90度旋轉(zhuǎn)角時{圖6(e)}，兩個高亮部分也像0度一樣，對稱的分布在中心兩側(cè)。但此時，A與B的值比0度時對應(yīng)的值要大。
　　　　
 　　　　   圖7. 間距差A(yù)-B與光纖旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系 
    圖7示出了間距差A(yù)-B與光纖旋轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系，這些數(shù)據(jù)可通過計算機(jī)數(shù)值模擬得出。A-B的兩個峰值出現(xiàn)在90度最低點(diǎn)處的兩側(cè)。在90度附近，A-B的斜率變得很大，通過觀察間距差A(yù)-B，光纖可被精確的定位在90度。因此，通過這種方法熔接光纖時，兩段光纖的偏振軸可被精確的對齊。
    圖8給出了通過PAS方法，PANDA光纖在0度和90度時從X場觀測到的圖像。
　　　　
  　　　　  圖8. PANDA光纖觀察到的圖像
4. 新一代保偏光纖熔接機(jī)FSM-45PM
    藤倉公司自1983年推出世界上第一臺保偏光纖熔接機(jī)后，20年來不斷改進(jìn)創(chuàng)新，繼10PM，20PM，20PMII，40PM后，2006年推出了第5代保偏光纖熔接機(jī)FSM-45PM。
    FSM-45PM的標(biāo)準(zhǔn)配置包括機(jī)主機(jī)、光纖壓腳、光纖夾具、光纖涂覆層熱剝除和高精度光纖切割刀等。此外，還可選配其他尺寸光纖的熔接配件，以及高拉力熔接配件。
    FSM-45PM的技術(shù)優(yōu)勢及特點(diǎn)：
    1）熔接時間短：PANDA光纖的典型熔接時間為45s；
    2）可實(shí)現(xiàn)高拉力熔接：典型拉斷值20N；
    3）偏振串音低：PANDA光纖的典型串音為-47.5dB；
    4）熔接保偏光纖種類多：可熔接長飛、46所、法爾勝、北玻所等多種保偏光纖；
    5）窄弧放電，且具有掃描放電模式：有效解決模場失配問題；
    6）采用夾具夾持系統(tǒng)：配合不同型號夾具，熔接更穩(wěn)定；
    7）精密的馬達(dá)系統(tǒng)：共12個高精度馬達(dá)，確�？焖贉�(zhǔn)確的完成找軸任務(wù)；
    8）具有手動模式，且開放底層，可通過RS-232接口實(shí)現(xiàn)電腦控制，并可通過GPIB接口連接熔接機(jī)和功率計，實(shí)現(xiàn)閉合控制對軸熔接；
    9）可通過內(nèi)置的旋轉(zhuǎn)角傳感器實(shí)現(xiàn)任意角度的熔接，如下圖所示；
　　　　
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，藤倉公司推出了大芯徑保偏光纖熔接機(jī)FSM-45PM-LDF，自動熔接包層直徑為80-500um，手動熔接可實(shí)現(xiàn)包層直徑800um的光纖熔接，適用于高功率光纖激光器的生產(chǎn)和研究。 
    
5. FSM-45PM的熔接實(shí)例
    FSM-45PM具有共40種內(nèi)置熔接程序，可方便實(shí)現(xiàn)PANDA型、TIGER型、Bow Tie型及多種其它型號光纖之間的自動、手動、功率計監(jiān)測法熔接及衰減熔接。每種熔接模式中的各個參數(shù)均可由用戶自行設(shè)置，例如：涂覆層和包層直徑、切割長度、MFD值、光纖類型、對準(zhǔn)方式、切割角度和損耗限定、估算損耗和消光比、放電強(qiáng)度和時間等等。用戶可以根據(jù)光纖類型和光纖的具體參數(shù)指標(biāo)，方便的修改參數(shù)，以達(dá)到最佳的熔接效果。以125um PANDA型保偏光纖為例，幾個典型的模式調(diào)整如下圖：
　　　　
    在45s的典型熔接時間內(nèi)，整個對軸、熔接過程即可自動完成。實(shí)測平均熔接損耗0.06dB，平均消光比大于40dB。典型熔接效果如下圖所示： 
　　　　
 6. 結(jié)論
    新型熔接機(jī)FSM-45PM采用側(cè)面投影對軸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)保偏光纖的熔接。這臺熔接機(jī)的優(yōu)點(diǎn)就是可以不需任何光源，起偏器，檢偏器，功率計和光學(xué)傳感器，就可實(shí)現(xiàn)偏振軸和x, y軸的對齊。實(shí)現(xiàn)保偏光纖實(shí)測平均熔接損耗0.06dB，平均消光比大于40dB（PANDA型）的熔接。這款保偏光纖熔接機(jī)FSM-45PM體積小、重量輕、對軸精度高、熔接時間短，使用方便簡單、性能穩(wěn)定可靠。底層開放的功能，可以使客戶根據(jù)具體使用需要進(jìn)行二次開發(fā)，搭建閉環(huán)控制系統(tǒng)，以達(dá)到更精確的對軸精度、解決光纖偏芯等問題。其技術(shù)優(yōu)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他同類產(chǎn)品。