王曉玲，趙亞飛，劉保林，張子健，王琪偉

（北京控制工程研究所，北京 100094）

1 引言

光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber,PCF）是一種利用周期性的空氣孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光的新型光纖，具有對(duì)輻照不敏感的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)纖芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異，光子晶體光纖可以分為高折射率反射型的普通實(shí)芯PCF 和折射率導(dǎo)引型空芯PCF［1］，本文所涉及為高折射率反射型實(shí)芯PCF。與傳統(tǒng)保偏光纖（Polarization-Maintaining Fiber，PMF）相比，光子晶體光纖能夠顯著提升光纖陀螺的宇航空間環(huán)境適應(yīng)性，光子晶體光纖繞制的光纖環(huán)能夠降低其對(duì)輻射、溫度、磁場(chǎng)等環(huán)境影響的敏感性［2］，滿足長(zhǎng)壽命高可靠衛(wèi)星的應(yīng)用需求［3］。光子晶體光纖陀螺已用于衛(wèi)星主閉環(huán)控制驗(yàn)證，展示出較好應(yīng)用前景［4］。

PCF 與PMF 兩種不同熱特性的光纖熔接比較困難［5-6］，主要體現(xiàn)在光子晶體光纖在熔接過(guò)程中存在工藝參數(shù)不合理使得空氣孔過(guò)度塌陷從而導(dǎo)致較高損耗。目前的研究成果主要集中于PCF 與單模光纖（Single Mode Fiber，SMF）的熔接。靳偉等［7］人研究了不同熔接參數(shù)對(duì)空氣塌陷的影響，利用愛(ài)立信熔接機(jī)FSU-975 分別對(duì)大模場(chǎng)PCF 和高非線性PCF 與SMF 實(shí)現(xiàn)了0.9 dB和1.45 dB 的熔接損耗，提出兩種光纖精準(zhǔn)對(duì)齊與適當(dāng)加熱，即控制加熱電流和加熱時(shí)間是低損耗熔接 的關(guān)鍵因素；Chong 等［8］人利用CO2激 光器實(shí)現(xiàn)了PCF 和SMF 之間的熔接，兩點(diǎn)熔接損耗為1.3 dB～2.8 dB；M.L.V.Tse 等［9］人實(shí)現(xiàn)了高空氣填充率的PCF 與SMF 的近1dB 低損耗熔接。另外光纖間的模場(chǎng)匹配在低損耗熔接中也有所研究，Chen 等［10］人通過(guò)控制孔坍塌和錐度，實(shí)現(xiàn)PCF 與雙包層單模光纖（Double-Clad Fiber，DCF）的最佳模場(chǎng)匹配，完成0.65 dB 的低損耗熔接；Yu 等［11］人針對(duì)模場(chǎng)和直徑不匹配的SMF-28 和超大模場(chǎng)面積PCF 采用反向拉錐方法，精確控制光纖外徑和模場(chǎng)輪廓，實(shí)現(xiàn)低于0.5 dB 的低損耗熔接，其熔接強(qiáng)度約為58.2 kpsi?？梢钥?到，目前公 開(kāi)報(bào)道 的PCF 和SMF 之間的熔接損耗一般都大于0.9 dB，并且少有PCF 和PMF 之間熔接的研究。而除了熔接損耗之外，在航天器等對(duì)可靠性要求極為嚴(yán)苛的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)于熔接點(diǎn)的熔接強(qiáng)度也提出了更高的要求，而現(xiàn)有文獻(xiàn)中還未見(jiàn)有針對(duì)PCF 與PMF 的熔接強(qiáng)度的可靠性數(shù)據(jù)驗(yàn)證。在實(shí)際熔接過(guò)程中，高熔接強(qiáng)度往往與低熔接損耗相互制約，因此亟需進(jìn)行光子晶體光纖與保偏光纖低損耗、高可靠熔接工藝的研究，以滿足宇航光纖陀螺產(chǎn)品中光子晶體光纖環(huán)替代傳統(tǒng)保偏光纖環(huán)，需應(yīng)用此熔接工藝的迫切需求。

2 光子晶體光纖的熔接機(jī)理研究

2.1 熔接損耗的產(chǎn)生機(jī)理

光子晶體光纖與保偏光纖的熔接損耗的主要成因是波導(dǎo)間結(jié)構(gòu)參數(shù)不匹配導(dǎo)致的。產(chǎn)生這種不匹配的因素有三，一是由于波導(dǎo)端面對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中產(chǎn)生橫向偏移和角度傾斜等情況導(dǎo)致的非本征損耗，該損耗由熔接設(shè)備的位移精度決定；二是由光子晶體光纖與保偏光纖之間的模場(chǎng)分布不同引起的模場(chǎng)失配損耗；三是由熔接時(shí)的高溫導(dǎo)致光纖結(jié)構(gòu)變化引起的限制損耗。本文將分別進(jìn)行理論分析。

2.1.1 非本征損耗

光纖熔接過(guò)程中，非本征損耗取決于熔接設(shè)備的精度。當(dāng)熔接設(shè)備產(chǎn)生位移誤差時(shí)，會(huì)導(dǎo)致光纖模場(chǎng)匹配產(chǎn)生誤差，如圖1 所示。其中，陰影面積為能夠正常傳輸?shù)墓獍呙娣e，光纖的模場(chǎng)半徑用R表示，熔接設(shè)備的誤差為d，則非本征損耗可以表示為［12］：

圖1 熔接非本征損耗示意圖Fig.1 Extrinsic splice loss

經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)熔接設(shè)備產(chǎn)生位移誤差＜0.2 μm 時(shí)，非本征損耗小于0.1 dB。根據(jù)熔接設(shè)備的使用手冊(cè)可知，熔接機(jī)的位移誤差＜0.1 μm，在光子晶體光纖與保偏光纖熔接時(shí)非本征損耗可以忽略。

2.1.2 模場(chǎng)失配損耗

目前光纖陀螺與光纖環(huán)連接的尾纖為保偏光纖，光子晶體光纖與這種光纖的端面圖像如圖2 所示。

圖2 光子晶體光纖端面與保偏光纖端面圖像Fig.2 PCF end face and PMF end face

當(dāng)光子晶體光纖與這種保偏光纖熔接時(shí)，由于兩種光纖的模場(chǎng)分布不一致，會(huì)在熔點(diǎn)產(chǎn)生由于模場(chǎng)失配導(dǎo)致的損耗，模場(chǎng)失配損耗表達(dá)式為［13］：

其中，ωPMF和ωPCF分別是光纖和光子晶體光纖的模場(chǎng)直徑。這里將光纖的基模模場(chǎng)分布近似為高斯型，模場(chǎng)直徑采用最廣泛使用的定義，即電場(chǎng)強(qiáng)度下降到峰值的1/e時(shí)的光斑直徑。光子晶體光纖模場(chǎng)失配損耗的變化是由于光纖空氣孔的形變導(dǎo)致的，需要對(duì)光子晶體光纖熔接過(guò)程中的形變進(jìn)行分析。

2.1.3 限制損耗

限制損耗是由于光子晶體光纖包層空氣孔層數(shù)有限性導(dǎo)致的模式泄露，代表了光子晶體光纖對(duì)傳輸光的約束能力，與光纖空氣孔形狀、大小、排布方式和傳輸波長(zhǎng)相關(guān)。通常經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的光子晶體光纖的限制損耗在光纖的總傳輸損耗中只占很小的一部分，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料吸收損耗和拉制結(jié)構(gòu)不完美導(dǎo)致的損耗。

在光纖熔接過(guò)程中，由于光子晶體光纖的包層是由石英和空氣孔交替疊加而形成的，當(dāng)光子晶體光纖被加熱到超過(guò)軟化溫度時(shí)，其表面張力（γ）會(huì)克服光纖粘度（η）而使得空氣孔塌陷。塌陷速率可由式（3）表示［14］：

在熔接溫度范圍內(nèi)，光纖的表面張力對(duì)溫度并不敏感，但其粘度則隨著溫度的上升很快的下降，所以光子晶體光纖在接續(xù)時(shí)特別容易形成空氣孔的塌陷，導(dǎo)致光纖的形變，此時(shí)光纖的限制損耗會(huì)顯著增加。

光子晶體光纖的限制損耗可以通過(guò)計(jì)算光纖的有效折射率得到，兩者之間的關(guān)系為［15］：

其中：傳播常數(shù)β=k0neff，k0為波數(shù)，neff為光纖的有效折射率。

與模場(chǎng)失配損耗一樣，光子晶體光纖限制損耗的變化也是由于光纖空氣孔的形變導(dǎo)致的，需要對(duì)光子晶體光纖熔接過(guò)程中的形變進(jìn)行分析，根據(jù)形變后的結(jié)構(gòu)計(jì)算有效折射率來(lái)獲取限制損耗的變化。

2.2 光子晶體光纖熔接中的模場(chǎng)變化

根據(jù)理論分析可知，光子晶體光纖與保偏光纖熔接時(shí)的損耗主要來(lái)自模場(chǎng)失配損耗和限制損耗，這兩個(gè)損耗主要與光子晶體光纖在熔接過(guò)程中模場(chǎng)的變化有關(guān)，而光子晶體光纖的模場(chǎng)主要與光纖的結(jié)構(gòu)相關(guān)。為了對(duì)熔接損耗進(jìn)行計(jì)算，采用有限元的方法對(duì)型號(hào)為PMPCF-1550-100/135 的光子晶體光纖受熱后的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了仿真。在特定加熱功率下，光子晶體光纖模場(chǎng)分布隨熔接時(shí)間的變化如圖3 所示。

圖3 光子晶體光纖模場(chǎng)分布隨熔接時(shí)間的變化Fig.3 Variation of PCF mode field distribution with splice time

從仿真結(jié)果可以看出，隨著熔接時(shí)間的增加，光子晶體光纖的空氣孔逐漸減小并最終閉合，在熔接過(guò)程中包層空氣孔有向內(nèi)收縮的趨勢(shì)；光子晶體光纖模場(chǎng)分布隨熔接時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，并且可以明顯看出模式泄露隨著熔接時(shí)間的增加而愈發(fā)嚴(yán)重。

2.3 熔接損耗計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)光子晶體光纖模場(chǎng)分布情況，可以分別計(jì)算模場(chǎng)失配損耗及熔點(diǎn)限制損耗。其中模場(chǎng)失配損耗與熔接功率的關(guān)系如圖4 所示。隨著熔接時(shí)間的增加，模場(chǎng)失配損耗先是逐漸下降，最小損耗在0.68 dB 附近，隨后損耗開(kāi)始迅速增大，最大模場(chǎng)失配損耗在2～2.5 dB 左右。不同熔接功率下模場(chǎng)失配損耗的變化趨勢(shì)相同，變化的進(jìn)程隨功率的增加而加快。

圖4 熔點(diǎn)模場(chǎng)失配損耗與熔接功率和熔接時(shí)間關(guān)系圖Fig.4 Relationship between PCF mode field mismatch loss and splice power and splice time

熔點(diǎn)限制損耗仿真結(jié)果如圖5 所示。在熔接開(kāi)始后光子晶體光纖的塌縮對(duì)熔點(diǎn)限制損耗的影響幾乎為0，只有當(dāng)光纖的空氣孔接近完全閉合的時(shí)候才出現(xiàn)明顯增大。

圖5 熔點(diǎn)限制損耗與熔接功率和熔接時(shí)間關(guān)系圖Fig.5 Relationship between PCF melting point confinement loss and splice power and splice time

將計(jì)算得到的模場(chǎng)失配損耗和限制損耗相加，可以得到光子晶體光纖與保偏光纖熔接損耗同熔接功率和熔接時(shí)間的關(guān)系模型，如圖6 所示。在不同熔接功率下，熔點(diǎn)損耗的變化趨勢(shì)相同，均是先緩慢下降，即在熔接的開(kāi)始階段光子晶體光纖空氣孔的輕微塌縮能夠促進(jìn)兩種光纖間的模場(chǎng)匹配；隨著熔接時(shí)間的增加，光子晶體光纖的模場(chǎng)逐漸變大，耦合損耗開(kāi)始增加；最后當(dāng)熔接時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，空氣孔區(qū)域閉合，限制損耗變成熔點(diǎn)損耗的主要組成部分。熔接功率的增大或者減小能夠加快或者減緩上述過(guò)程的發(fā)生。

圖6 熔點(diǎn)損耗與熔接功率和熔接時(shí)間關(guān)系圖Fig.6 Relationship between PCF melting point loss and splice power and splice time

利用CO2激光熔接機(jī)進(jìn)行熔接試驗(yàn)，熔接參數(shù)參考仿真結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示，橙色線為仿真結(jié)果（彩圖見(jiàn)期刊電子版）?？梢钥吹?，熔接損耗隨時(shí)間的變化規(guī)律與仿真結(jié)果一致，說(shuō)明上述熔接損耗的理論模型較為準(zhǔn)確，可以有效地反應(yīng)熔接過(guò)程中損耗的變化，可利用該規(guī)律對(duì)熔接損耗進(jìn)行優(yōu)化。

圖7 光纖熔接損耗Fig.7 PCF splice loss

圖8 光子晶體光纖和保偏光纖熔接損耗與強(qiáng)度與熔接時(shí)間的關(guān)系Fig.8 Relationship between splice loss and splice strength and splice time of PCF and PMF

2.4 熔接強(qiáng)度

2.4.1 熔接強(qiáng)度衡量指標(biāo)

光子晶體光纖由熔融狀態(tài)下的二氧化硅拉制而成，引起脆性材料斷裂的主要因素是最大拉應(yīng)力，因此當(dāng)材料所受拉應(yīng)力達(dá)到材料單向拉伸斷裂時(shí)的最大拉應(yīng)力時(shí)，就會(huì)引起材料的斷裂。在衡量熔接強(qiáng)度時(shí)，通常采用kpsi 作為衡量熔點(diǎn)能夠承受壓強(qiáng)的單位，kpsi 是指磅力/平方英寸，與標(biāo)準(zhǔn)單位的換算關(guān)系為1 kpsi=6.895 MPa。一般光纖張力篩選為100 kpsi，熔點(diǎn)能夠承受的抗拉強(qiáng)度應(yīng)在100 kpsi 以上，即高于0.7 GPa。

2.4.2 熔接強(qiáng)度摸底試驗(yàn)

通過(guò)建立光子晶體光纖和保偏光纖的熔接損耗模型，能夠確定針對(duì)這兩種光纖熔接損耗的最優(yōu)參數(shù)。但是采用此時(shí)的熔接參數(shù)未必能夠得到最優(yōu)的熔接強(qiáng)度。對(duì)每組熔接參數(shù)進(jìn)行5 次試驗(yàn)，獲取不同熔接參數(shù)下的熔接強(qiáng)度，并綜合考慮熔接損耗的影響確定最優(yōu)熔接參數(shù)。熔接強(qiáng)度可以通過(guò)專(zhuān)用的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試設(shè)備通過(guò)對(duì)光纖逐漸施加拉力直至光纖斷裂，記錄斷裂瞬間對(duì)光纖施加的拉力，最終通過(guò)測(cè)得的拉力和光纖的橫截面積計(jì)算光纖的抗拉強(qiáng)度。

在熔接過(guò)程中，光纖處于高溫環(huán)境，而光纖材料的黏度隨溫度的升高呈指數(shù)下降，此時(shí)在光纖表面張力的驅(qū)動(dòng)下，待熔接的兩光纖端面逐漸熔合為一體。熔融石英的黏度取決于環(huán)境溫度，與熔接功率直接相關(guān)；熔合過(guò)程中微裂紋的修復(fù)與熔接時(shí)間相關(guān)。從光纖熔接的物理機(jī)理上看，熔接功率和時(shí)間是影響熔接強(qiáng)度的主要因素。圖 8 所示是光子晶體光纖和保偏光纖的熔接損耗與強(qiáng)度隨熔接時(shí)間的變化。從圖中可以看出，當(dāng)熔接時(shí)間不大于1.5 s 時(shí)，熔接強(qiáng)度隨熔接時(shí)間的增長(zhǎng)而迅速增加，而熔接損耗緩慢下降；當(dāng)熔接時(shí)間大于1.5 s 時(shí)，熔接強(qiáng)度的增加速度逐漸減緩，并在2.5 s 時(shí)達(dá)到峰值，而這一過(guò)程中熔接損耗逐漸上升；直到4.5 s 時(shí)熔接強(qiáng)度基本平穩(wěn)，而熔接損耗快速上升。由此得到光纖熔接時(shí)間選擇1.5 s 左右較為合適。

3 光子晶體光纖熔接工藝試驗(yàn)

3.1 熔接方案

在實(shí)際熔接過(guò)程中，由于光纖表面在預(yù)處理和熔接過(guò)程中受到污染，在雜質(zhì)離子和加熱溫度的作用下二氧化硅分子會(huì)發(fā)生重新定向排布，形成結(jié)晶。在結(jié)晶處，光纖的強(qiáng)度會(huì)顯著下降。為了進(jìn)一步提高光纖的熔接強(qiáng)度，需要選擇清潔度更高的熔接加熱源。目前常用的加熱源如表1所示。

表1 加熱源特點(diǎn)對(duì)比表Tab.1 Comparison of heating source characteristics

從表1 中可以看出，在使用一段時(shí)間后，采用電極放電熔接和石墨絲加熱熔接不可避免地引入污染，導(dǎo)致光纖熔接強(qiáng)度下降。因此，為了提高光纖熔接強(qiáng)度和可靠性，采用CO2激光器作為熔接加熱源。CO2激光為清潔熱源，無(wú)任何雜質(zhì)污染，且光纖表面主動(dòng)吸收激光并穩(wěn)定熱傳導(dǎo)，熔接表面光滑，無(wú)裂縫，可有效提高光纖熔接可靠性。本次試驗(yàn)采用CO2激光器作為熔接加熱源。

光纖端面質(zhì)量取決于光纖端面的切割角度。光纖端面質(zhì)量影響熔接質(zhì)量。采用拉切式光纖切割刀替代傳統(tǒng)壓切式切割刀，可明顯提高光纖端面切割角度，如表2 所示。

表2 光纖端面切割刀切割光纖質(zhì)量對(duì)比表Tab.2 Quality comparison of fiber cutting with fiber cleaver

采用藤倉(cāng)公司生產(chǎn)的LZM 系列CO2熔接機(jī)進(jìn)行光子晶體光纖與保偏光纖熔接。試驗(yàn)方案如圖9 所示。

圖9 光子晶體光纖熔接示意圖Fig.9 Schematic diagram of PCF fusion splicing

試驗(yàn)的1 550 nmSLD 光源由光源驅(qū)動(dòng)儀驅(qū)動(dòng)，設(shè)置驅(qū)動(dòng)電流；光源輸出尾纖與Y 波導(dǎo)輸入尾纖熔接，并記錄另一端輸出尾纖A 點(diǎn)處的光功率PA；隨后熔接光子晶體光纖及保偏光纖，分別記錄B 點(diǎn)和C 點(diǎn)的光功率PB 和PC，光纖較短自身?yè)p耗忽略不計(jì)，兩個(gè)熔接點(diǎn)的損耗分別Loss（A）=PB-PA，Loss（B）=PC-PB。當(dāng)熔接參數(shù)最優(yōu)后測(cè)試熔點(diǎn)抗拉強(qiáng)度。

3.2 熔接參數(shù)試驗(yàn)

在理論分析得到的初步參數(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步針對(duì)熔接加熱源的位置以及追加加熱情況進(jìn)行針對(duì)性的試驗(yàn)，得到最優(yōu)的熔接參數(shù)。

3.2.1 加熱位置試驗(yàn)

在熔接過(guò)程中，由于光子晶體光纖空氣孔結(jié)構(gòu)的存在，光子晶體光纖要比保偏光纖軟化溫度低，在熔接時(shí)先形成空氣孔塌陷。如果熔接時(shí)溫度過(guò)于高，會(huì)造成嚴(yán)重的塌陷從而產(chǎn)生損耗值隨之增大。

為了盡可能降低光纖熔接損耗，理論上最優(yōu)的熔接方法是將加熱位置向更靠近熊貓保偏光纖一側(cè)，從而有效降低光子晶體光纖的形變，加熱區(qū)域示意圖如圖10 所示。

圖10 光子晶體光纖與保偏光纖熔接加熱區(qū)域示意圖Fig.10 Splicing heating area of PCF and PMF

在實(shí)際熔接過(guò)程中，通過(guò)改變加熱區(qū)域的位置，得到熔點(diǎn)質(zhì)量如表3 所示。相同的熔接參數(shù)，當(dāng)加熱位置在保偏光纖和光子晶體光纖連接端面時(shí)，具有較低的熔接損耗；當(dāng)加熱位置偏移在保偏光纖側(cè)時(shí)，熔接熱量在光子晶體側(cè)更少，熔接損耗相應(yīng)更低；當(dāng)加熱位置偏移在光子晶體光纖側(cè)時(shí)，空氣孔塌陷較多導(dǎo)致?lián)p耗迅速增加，但試驗(yàn)顯示熔接強(qiáng)度均未達(dá)到100 kpsi。

表3 加熱位置試驗(yàn)記錄表Tab.3 Record form of heating position experiment

3.2.2 追加加熱試驗(yàn)

為了進(jìn)一步提高抗拉強(qiáng)度，需要在光纖熔接后，再對(duì)熔點(diǎn)進(jìn)行降低加熱功率的追加加熱。試驗(yàn) 結(jié)果如表4 所 示。在試驗(yàn) 中10 bit 對(duì) 應(yīng)300 mW 激光熔接功率。當(dāng)追加通光-20 bit（相對(duì)原加熱功率降低值），光纖抗拉強(qiáng)度顯著提升，但熔接損耗波動(dòng)較大；追加通光-40 bit，光子晶體光纖無(wú)明顯塌陷，對(duì)熔接強(qiáng)度提升不顯著；最終確認(rèn)追加通光-30 bit，一般通光2～3 次。

表4 熔接再加熱試驗(yàn)記錄表Tab.4 Record form of splicing reheating test

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

采用試驗(yàn)得到的熔接參數(shù)進(jìn)行多次熔接試驗(yàn)，熔點(diǎn)平均損耗為0.82 dB、最大值不超過(guò)1.0 dB，平均熔接抗拉強(qiáng)度達(dá)到139 kpsi、最小值不低于100 kpsi，如表5 所示，滿足光纖陀螺熔接損耗小于1.0 dB、熔點(diǎn)抗拉強(qiáng)度大于100 kpsi 的使用要求。熔接對(duì)軸過(guò)程中光子晶體光纖端面圖以及熔接完成后熔點(diǎn)照片如圖11 所示。

表5 熔接試驗(yàn)記錄表Tab.5 Record form of splicing test

圖11 熔接試驗(yàn)過(guò)程Fig.11 Fusion test process of PCF and PMF

4 結(jié)論

本文在分析光子晶體光纖熔接機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立了熔接損耗和熔接強(qiáng)度同熔接功率和熔接時(shí)間的關(guān)系模型，給出了光子晶體光纖同保偏光纖熔接的熔接參數(shù)，在此基礎(chǔ)上探索了提升光纖端面質(zhì)量、偏移加熱源位置、追加加熱對(duì)熔接質(zhì)量的影響。多次熔接結(jié)果表明，平均熔接損耗達(dá)到0.82 dB，平均熔接強(qiáng)度達(dá)到139 kpsi，能夠滿足宇航高可靠產(chǎn)品的應(yīng)用需求。