基于在线监测平台抛磨光纤传输特性的研究*

梁海坚，黄 刚，郑来芳，吕玉良

(太原工业学院 电子工程系，山西 太原 030008)

0 引言

抛磨光纤通常是在去除涂覆层的光纤上，使用物理方法改变包层的厚度，得到包层厚度不同的光纤。由于被处理的位置包层厚度明显变小，而未处理的部分依然是圆柱形[1,2]，其横截面近似于大写字母“D”。D型光纤与抛磨光纤的区别在于：D型光纤是由D型预制棒拉制而成的[3,4]，整根光纤的横截面全为D型，抛磨光纤则只有抛磨区的横截面是D型。对于光纤的抛磨有很多种方法，例如V型槽法[5]、轮式抛磨法[6]等方法。光纤包层被抛磨一部分后，光能量很容易从纤芯部分泄露出去，导致光功率损耗增大。通过对光泄漏的控制和利用，能够做出各种用途的光纤器件[7-13]。光纤器件有较低的插入损耗、较小的背向反射以及易于熔接的特点[14]，同时价格低廉，因此获得了广泛的应用。

制作光纤器件，适当的抛磨光纤是关键，因此急需对抛磨深度与光能量的泄漏关系进行研究。因此，本文搭建了光功率损耗在线监测平台，并对抛磨过程中光功率损耗与抛磨深度关系进行了研究。

1 实验方案及过程

实验中对康宁SMF-28单模光纤进行抛磨，光纤的包层直径为125μm，纤芯直径为8μm。去除涂覆层，使用无水乙醇擦拭抛磨部分，之后采用7000目的砂纸对光纤进行抛磨，抛磨掉35μm后，使用12000目砂纸进行抛磨，抛磨到剩余75μm为止。抛磨过程中，光纤一端连接ASE光源，另一端与光功率计或光谱仪相连接，实现光功率或光谱的测量，中间通过固定的带凹槽的滑轮来承载光纤，抛磨系统连接示意如图1所示。

图1 抛磨系统连接图

实验前，首先设置抛磨参数，完成后进行实验。实验中每隔5分钟停止抛磨，使用无水乙醇对抛磨区进行擦拭，待稳定后使用抛磨系统自带的CCD测量系统对剩余光纤厚度进行测量，同时记录此时的光纤光谱图。

2 实验结果及分析

2.1 抛磨光纤视图

抛磨完成后，使用显微镜对抛磨光纤剖面图进行了获取，有明显的“D”型轮廓。显微镜下视图如图2中所示。图中较亮的圆圈即为纤芯，可见纤芯部分比较亮，说明纤芯透光率较好。光纤抛磨后，被抛磨面上会出现粗糙的划痕，可以观察到有明显的颗粒感，在显微镜下观察到的抛磨面如图3所示。光纤抛磨前后对比如图4所示。在图4(a)上可以看到，光纤抛磨前包层分布均匀，图中较亮的部分为纤芯，处于光纤中心位置；由图4(b)可看到，在薄层剩余厚度为75μm时，抛磨后包层厚度减小，纤芯部分仍然较亮，但是亮度有所减小。

图2 抛磨光纤剖面图 图3 抛磨区显微视图

图4 光纤抛磨前后对比

2.2 剩余厚度与光功率损耗关系

在光纤抛磨阶段，使用光功率计与光纤尾端连接，在光波长为1310 nm时，不同抛磨深度的光功率损耗如图5所示。在图中可以看到，剩余厚度大于85μm，光纤的损耗几乎为0，说明此时还未发生光能量损失。包层的剩余厚度10μm时，光泄漏量开始增大，测量到的光损耗迅速增加，抛磨至接近纤芯表面时损耗达到最大。同时，从图上可以看到，抛磨过程中光功率损耗并不是线性增加的，而是一个逐渐增加的过程，光功率泄漏最大可达-27dB左右。

2.3 光功率损耗光谱

光纤在抛磨中，随着包层厚度的不断减小，光功率损耗在不断变大，不同抛磨剩余厚度所对应的透射光谱如图6所示。与光功率计测量结果相吻合，1250～1600 nm波段损耗几乎为零。剩余厚度为81.4μm时损耗开始明显增加，并且1250～1600 nm波段损耗都在同时增加。

当包层抛磨掉52μm，剩余包层厚度为5μm，此时光泄漏量开始增加，并随着包层剩余厚度的减小。从图上可看到，剩余厚度从72.763 μm开始，每近似抛磨1 μm，抛磨损耗功率不断变大，并且每两次抛磨前后损耗功率的差值也在不断变大。抛磨光纤剩余厚度为67.887 μm时，开始出现不同波长的光透射功率不同的现象，抛磨光纤剩余厚度为66.631 μm时，此现象尤为明显，波长为1325 nm和1537 nm的光泄漏量尤其大，说明剩余包层厚度变小时，此波长的光容易泄漏出去。抛磨光纤剩余厚度为65.509 μm时，出现1310～1345 nm波段光泄漏量变大的现象，由此推测，对于此光纤包层变小时，此波段的光更容易泄漏。继续抛磨0.6 μm后，发现1275～1400 nm波段的光功率相比前次有增加，1400～1600 nm依然继续降低。

图5 波长为1 310 nm时光功率损耗与抛磨深度关系

图6 不同剩余厚度透射光谱

3 结束语

本文对抛磨光纤过程建立在线监测系统，并且利用光谱仪和光功率计对抛磨过程中光功率损耗进行了在线监测。结果发现，对此光纤在抛磨过程中，包层厚度大于10μm时，光功率损耗很小，而当包层厚度逐渐变小，随着抛磨深度的增加，光功率损耗会逐渐增大，直到抛磨至纤芯位置时达到最大-27dB。通过对抛磨过程光功率损耗的研究，获得了抛磨区域长为10 mm时，光功率损耗与抛磨深度的关系，发现光功率损耗随抛磨深度成非线性变化。通过对光功率与抛磨深度关系的研究，同时利用对光泄漏功率的监测，可以制作出符合光纤传感要求的抛磨光纤。