高可靠光纤耦合器制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高可靠光纤耦合器制备方法，包括下列步骤：（１）采用平行烧结强熔拉锥工艺制备光纤耦合器，通过拉力检测光纤耦合器烧结完成后的纵向抗拉强度，要求其纵向抗拉强度值大于１Ｎ；（２）利用热固化胶将烧结后的光纤耦合器两端固定在石英Ｕ型槽中，并在石英槽两端内部填充紫外胶，缩短中间光纤悬空长度；（３）将所述的光纤耦合器套在石英圆管中，石英圆管两端用热固化胶固定；（４）对所述的光纤耦合器进行高温处理，所述的高温处理为首先在温度８３～８７℃条件下，贮存２～３小时；然后在温度１０８～１１２℃条件下，贮存１～２小时；（５）在石英圆管上涂硅橡胶后套不锈钢管，将不锈钢管两端密封。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光纤耦合器的制备方法，光纤耦合器对光信号起到进行分 路和合路的作用，在光纤陀螺、光纤水听器、光纤电流传感器等光纤传感领域 有着广泛的应用。
技术介绍
光纤耦合器对光信号起到进行分路和合路的作用，在光纤通信，光纤陀螺、 光纤水听器、光纤电流传感器等光纤传感领域有着广泛的应用。熔融拉锥法制备光纤耦合器就是将两根去除涂覆层的光纤平行或扭结并靠 在一起，利用火焰加热使光纤熔融，同时以一定的速度向两侧拉伸，在光纤局 部加热区形成拉锥形状，渐逝场向外扩展而实现传输功率的耦合。熔融拉锥法 具有易于批量生产、结构牢固、环境性能好、附加损耗低等优点。但熔融烧结 工艺中火焰的温度场及拉伸速度参数控制，会对烧结后的光纤强度产生影响， 传统制备工艺中，没有光纤强度检测工艺要求，且对耦合器内部光纤悬空长度 没有进行控制，因此，仅能保证一定抗冲击强度的要求，不能满足高抗沖击性 能要求。另外，扭烧工艺过程将两根光纤通过扭结使其并紧在一起，在两端的扭结 点处，扭应力较大，尤其是制备小尺寸耦合器时，两个扭结点距离较近，扭应力更大；而且耦合器锥区两侧在烧结过程中，处于火焰外侧边缘处，光纤内应 力也较大，因此，在受到外界冲击应力作用下较容易发生耦合臂断裂失效，耦 合器的可靠性较低。采用平行烧结工艺后，避免了扭烧应力问题，大大提高了 可靠性。同时，剥离光纤涂层时，采用热剥工艺或其它无损剥除工艺，剥离后 进行光纤包层质量检查；拉锥完成后进行内部光纤质量监控检查，可进一步提 高光纤耦合器的可靠性。烧结完光纤耦合器以后要进行封装，传统的封装方式是先将光纤两端带有 涂层光纤部分固定在石英槽中，然后将石英槽套在石英圆管内，最后再套上不 锈钢管进行保护，两端用胶封装，这种封装方式没有考虑减震措施，光纤耦合 器的抗冲击性能较差，很难满足有高抗冲击环境(沖击加速度大于3000g,沖击频率1000~5000Hz)的应用要求。中国专利92108997.X,专利技术名称"一种加强光纤耦合器的方法"中采用 了加强基底方式提高光纤耦合器的可靠性；中国专利94100528.3，专利技术名称"光纤耦合器保护结构及其保护方法"，通过一个由具有光纤相同热膨胀系数的材料的方法，封装工艺较复杂，封装材料成本高，主要解决了光纤耦合器的温度稳定性，封装结构可靠性和抗高冲击性能没有描述。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种光纤耦合器的 制备方法，该方法可以提高光纤耦合器的可靠性。本专利技术的技术解决方案是，包括下列步骤 (1 )采用平行烧结强熔拉锥工艺制备光纤耦合器，通过拉力检测光纤耦合 器烧结完成后的纵向抗拉强度，要求其纵向抗拉强度值大于1N;(2)利用热固化胶将烧结后的光纤耦合器两端固定在石英U型槽中，并 在石英槽两端内部填充紫外胶，缩短中间光纤悬空长度；(3 )将所述的光纤耦合器套在石英圆管中，石英圆管两端用热固化胶固定；(4) 对所述的光纤耦合器进行高温处理，所述的高温处理为首先在温度 83-87。C条件下，贮存2 3小时；然后在温度108~ 112。C条件下，贮存1~2 小时；(5) 在石英圆管上涂硅橡胶后套不锈钢管，将不锈钢管两端密封。 所述步骤(1)中的平行烧结强熔拉锥工艺中，光纤涂层采用热剥离方式处理，火焰中心温度要求大于150CTC,烧结完成后光纤纵向抗拉强度大于1N。所述的热固化胶采用环氧树脂胶。所述步骤(2)中的在石英槽两端内部填充紫外胶，采用低玻璃化温度的紫外胶，玻璃化温度低于-50。C 。所述步骤(5)中的石英圓管外径与不锈钢管内径之差至少为0.6mm。 所述步骤(5)中的涂硅橡胶厚度在0.3mm以上。本专利技术的工作原理是光纤耦合器的工作原理是基于"渐逝场"理论和光 波导模式耦合理论。光纤耦合器的制作方法是将两根去除涂覆层的光纤通过扭 结或平行方式并靠在一起，在高温下加热使光纤熔融，同时以一定的速度向两 侧拉伸，光纤局部加热区的光纤逐渐变细，形成拉锥形状，渐逝场向外扩展而 实现传输功率的耦合。将一根光纤看作是另一光纤的扰动，在弱耦合近似下， 耦合方程组为式中， 、A2分别是两根光纤的模场振幅，(^、 P2是两根光纤在独立状态 的传播常数，Co是耦合系数。实际上自耦合系数相对于互耦合系数可以忽略，近似有Cii =〇22 =C。。在边界条件2 = 0时， (z) =A， (0)、 A2 (z) =A2 (0)。 两端口相对功率与拉伸长度的关系曲线，如图1所示(图中a代表主光纤，b代表副光纤)随着拉伸长度的增加，两根光纤开始靠近，当靠近到一定程度的 时候，光开始在两根光纤之间耦合。并且，随着拉伸长度延长，光的耦合量也 发生变化。由于光纤耦合器烧结完成后，是在一定的张力情况下悬空固定在U型石 英槽内，是一种弦的结构，存在一定的固有谐振频率，且固有谐振频率与光纤 的弦长相关，光纤弦长越大，固有谐振频率就越低，抗沖击性能就越差。通过对2 x 2型不同弦长的光纤耦合器固有频率进行理论分析，可以得出以 下数据表1 2x2型光纤耦合器固有频率与光纤弦长的关系<table>table see original document page 6</column></row><table>光纤耦合器在受到垂直与光纤轴向的沖击力作用下，其受力模型可以采用 材料力学理论进行分析，为简化模型分析，将耦合器内部两根烧结在一起的光 纤等效成一根均匀的一定长度的两端固定的梁来进行理论分析，光纤耦合器横向受力分析模型如图2所示。由图2可得到，反弯点在0.211/和0.789/处。g/224(1 )上式中M,—最大弯矩，单位为w.w; Q —剪切力(iV) /一弦长(w ) 《一均布栽荷(jV/ot) A、 B两端的剪切力为A、 B两点的切应力为:2QB=_(2)了 /4(3)上式中，j为光纤的圓截面面积。当切应力达到光纤材料的强度极限时，发生脆性断裂，此时有下式:上式中， 为光纤材料的强度极限(屈服强度)，单位为MPa。 当悬梁受到加速度为"的沖击时，(4)可写成(4)4dxp"(5)式中dx为分布载荷单位长度，p为光纤材料密度。悬梁能够承受的理 论加速度为(6)2 p/由(6)式可知，光纤耦合器承受的冲击加速度水平与光纤的弦梁长度成反比。取p:2.5g/cm3, / = 30mm, o"b=40MPa，则理论上光纤耦合器能承受的冲击加 速度为80000g。受力分析模型图上，截面上部受压，下部受拉，最大弯矩M^与受力大小 成正比，与弦长的平方成正比，减小弦长可以降低最大弯矩和横向剪切力。由 于光纤剥除涂覆层后，抗弯曲性能和抗横向剪切性能变差，因此，缩短弦长可 以大大提高光纤耦合器的抗冲击性能。熔融拉锥法制备光纤耦合器就是将两根去除涂覆层的光纤平行并靠在一起，利用氢氧焰在高温下加热使光纤熔融，同时以一定的速度向两侧拉伸，在 光纤局部加热区形成拉锥形状，渐逝场向外扩展而实现传输功率的耦合。熔融 拉锥法具有易于批量生产、结构牢固、环境性能好、附加损耗低等优点。本发 明采用平行烧结强熔拉锥方法制备光纤耦合器，烧结完成后，通过拉力检测未进行封装固化的耦合器纵向抗拉强度，使光纤耦合器纵向抗拉强度值超过1N, 且封装本文档来自技高网...

【技术保护点】
高可靠光纤耦合器制备方法，其特征在于包括下列步骤：　（１）采用平行烧结强熔拉锥工艺制备光纤耦合器，通过拉力检测光纤耦合器烧结完成后的纵向抗拉强度，要求其纵向抗拉强度值大于１Ｎ；　（２）利用热固化胶将烧结后的光纤耦合器两端固定在石英Ｕ型槽中，并在石英槽两端内部填充紫外胶，缩短中间光纤悬空长度；　（３）将所述的光纤耦合器套在石英圆管中，石英圆管两端用热固化胶固定；　（４）对所述的光纤耦合器进行高温处理，所述的高温处理为首先在温度８３～８７℃条件下，贮存２～３小时；然后在温度１０８～１１２℃条件下，贮存１～２小时；　（５）在石英圆管上涂硅橡胶后套不锈钢管，将不锈钢管两端密封。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王巍，丁东发，张志鑫，李晶，王寸，单联洁，梁丰爽，臧华，
申请(专利权)人：北京航天时代光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：11[]