ThorlabsVytran先进光纤处理技术和产品开发研讨会的主要内容将以视频和图文两种方式呈现。本期研讨会首先介绍了Vytran光纤处理设备的特性，然后从近期学术研究和产品开发的热点出发，以软玻璃光纤、多芯光纤、微结构光纤和透镜光纤为例说明特种光纤的处理过程和注意事项，最后是问题回答。

　　在本文中，光纤处理特指对光纤的玻璃部分进行加热并使其物理或光学性质发生变化的过程。在处理光纤之前，我们需要剥离涂覆层、清洁和切割包层。

　　第一个关键点是加热方式。我们通常有电极、氢氧焰、二氧化碳激光和加热丝四种方式。本文只讨论加热丝的方式，因为它对于后面要讲的四种光纤处理案例都是最佳选项。Vytran加热丝如下所示，它呈℧形状，光纤在处理时会精确地定位在其中间区域。

　　加热丝的主要类型和参数请看下表。石墨是非常稳定的高温热源。钨灯丝可以快速地开启和关闭，大概在250毫秒，所以非常适合脉冲熔接。铱灯丝低温下的一种清洁热源，适合熔点或转变温度较低的光纤材料。除了标准加热丝，我们也可以根据光纤材料和尺寸提供定制火头。

　　第二个关键点是成像。首先，为了实现光纤的侧面对准，我们要在两个垂直的视野下面看清光纤。业界一般采用两个固定相机或一个移动相机实现这个目的。Vytran设备使用后者，通过移动相机采集不同反射镜下的光纤图像。其次，具有特殊结构的光纤端面还要考虑旋转对准。虽然旋转也可以通过侧面对准来做，但这要用到剖面分析。Vytran设备则是用楔形反射镜直接对端面成像，然后通过算法进行旋转对准。

　　Vytran设备共有后、前、中三个侧视图。后/前视图用于对准，中间视图用于直接查看光纤，结合衰减片能以热成像的方式实时观测光纤熔接过程。另外，Vytran设备还能看到左右两侧光纤的端面。

　　第三个关键点是运动控制。它包括XYZ三轴平移和绕Z轴的旋转。对于Vytran设备运动精度或者说分辨率，XY方向约为20 nm、Z方向约为250 nm，而旋转约为0.02度。

　　除了精度还要考虑稳定性。这是因为光纤处理过程的时长不等，熔接可能是几秒到十几秒的过程，拉锥可能是几十秒甚至分钟量级的过程，而烧球或光纤耦合器制作等过程可能长达十几分钟。设备在整个处理过程中必须保持稳定，而且不同维度的运动必须平滑切换，不能互相干扰。

　　第一个必备点是图像处理。在左下方的侧面对准视图中，我们找到光纤的顶部边缘和底部边缘并确定几何中心，然后光纤就会根据几何中心对准。侧视图还能用于确定切割角度并排查光纤是否倾斜。端面视图通过一对楔形反射镜采集，右下方有一个端面图像示例。在后面的光纤处理案例中，我们会看到旋转对准有两种模式：图像识别和对称算法。

　　第二个必备点是热校准。为什么要进行热校准呢？这是因为电阻加热丝在使用过程中会逐渐老化，导致加热功率或移动视图上的偏差，所以需要通过热校准补偿偏差，并在校准后将新的参数应用于所有的熔接或者拉锥文件中。

　　第三个必备点是拉力监测。通过读取光纤上的拉力，我们可间接地分析光纤的处理过程，比如拉锥的时候是否过热或过冷，以此优化拉锥参数。

　　第四个是可选点，即功率监测。因为光纤的侧面和旋转对准是基于图像分析的，这是一个被动过程。Vytran设备后面有两个模拟端口，接入一个光源和一个功率计后就能提供实时的功率反馈，以此实现光纤的主动对准。这一点特别适合侧视图不清楚的偏心光纤处理应用。

　　软玻璃光纤主要用于中红外光源、传感或医疗设备。软玻璃光纤材料包括氟化物、硫系和重金属氧化物。它们的软化温度非常低，只有100到200多度，而且转变温度到软化温度的窗口非常窄，这是个非常迅速的过程。另外，软玻璃光纤比较脆，强度比石英光纤低很多。

　　由于这些特殊的性质，软玻璃光纤的准备和处理具有以下几个难点：光纤由于强度低而可能弯曲；涂覆层通过机械方式去除可能造成缺口甚至折断；不容易切出平整的端面；熔接时需要选取合适的加热功率，使之正好落在上述极窄的窗口区间内。这些难点的解决方式如下：

　　首先看拉直和剥离。光纤的弯曲通常以热溶剂浸泡或热风枪吹消除，不过下图中用的是拆除了两侧刀片的光纤热剥方式。这个V形热剥槽连接真空，可使光纤和V形槽紧密接触，这样一般光纤在拉两三遍后就会变直。

　　下图展示了使用凝胶剥离涂覆层的方式。另外，二氯甲烷也是一种很适合用于剥离软玻璃光纤的涂覆层溶剂，但由于它是液体，挥发时可能会影响操作人员的呼吸系统，所以我们建议凝胶的方式。

　　再看切割难点。此处以125 μm包层的氟化铟光纤切割为例。我们使用拉伸和划擦法保证切割过程的可重复性，并将每个切割刀夹具盖子上的四个磁铁拆掉两个，以此降低夹持力。

　　确定最佳拉力时。首先选用190克拉力。因为125 μm石英单模光纤的切割拉力是210克，而125 μm实心保偏光纤是190克，所以我们选用190克作为起始点。切完后看端面图像(下方第一图)，它的初始切割点位于6点钟方向，而且端面上有明显的条纹。这些条纹在后续熔接时可能产生气泡。

　　然后以10%降低切割拉力。在拉力降至126克时，条纹到了非常边缘的位置，这时我们认为就是最优的切割拉力。但为什么不继续降低呢？继续降低是否能把条纹控制到整个光纤端面之外呢？继续降低是可以的，但拉力太低时初始切割点的划口就变大了，而且切割角度也会偏大。所以，拉力的最优值一般在于小的初始缺陷点并且条纹正好传播在包层边缘。

　　最后看软玻璃光纤的熔接加热。此处采用宽度窄的铱灯丝，因为它是一种低温下的清洁热源，其功率远低于石英熔接功率。熔接时要将光纤精确定位在加热丝的中间区域，而且在优化热平衡时还要精确地控制轴向位置，也就是熔接偏移量，使熔接从不平衡热状态达到平衡热状态。

　　最后看下氟化锆光纤分别和125 μm和80 μm单模石英光纤的实际熔接效果。因为模场和NA都互相匹配，因此两种情况下的熔接损耗都非常低，都在0.2 dB以下。它们的差异在于熔接强度：下面第一图中的熔接强度约为50 kpsi，第二图中的强度大于100 kpsi。

　　强度差异是如何产生的呢？这是因为软玻璃光纤在加热和冷却时有明显的膨胀和收缩。由于左图中两光纤尺寸相同，这样就没有足够的空间让材料流动，由此形成尖锐的边界，导致光纤端面上产生应力而使熔接强度不高。解决这个问题的方法是采用包层比氟化物包层小的石英光纤，或者通过氢氟酸刻蚀减小石英包层，这样熔接时软玻璃光纤有更大的流动空间，可形成平滑的边界。

　　多芯光纤主要用于数据中心、通信和医疗等应用。多芯光纤可以有不同的纤芯数量、图案，间隙可以是实心或空心。它们的处理难点是多芯之间的对准。

　　接下来利用四芯光纤的实际案例介绍对准过程。端面对准有图案识别和对称算法两种方式。此处因为没有特别明显的图案，所以我们选择对称算法。在软件的对称算法设置界面，我们以1/4到1/2的区域作为感兴趣区域，然后算法就可以自动对光纤进行旋转对准。

　　微结构光纤包括保偏光纤、光子晶体光纤和光子带隙光纤等类型。微结构光纤的独特性是复杂多样的内部结构，比如圆形或图案化的孔、网格、毛细管套毛细管、应力棒等。

　　处理这些特殊结构有以下难点。第一要切出平整的端面。这里不仅要从低拉力逐步提高到最优值，还要考虑初始切割点沿不同材料传播时受到的影响，不能损伤表面。第二要和多芯光纤一样实现旋转对准。第三是精确控制加热功率和定位精度。第四是控制空气孔的塌缩；不是说完全避免塌缩，而是需要以一种可控的方式来控制空气孔的塌缩。

　　对于切割的难点，我们引入所谓的亚临界切割过程。在此过程中，用户可修改划擦延迟参数，也就是两次刀片振荡之间的间隔时间。这个时间一般和光纤包层直径成正比，比如为125 μm光纤设置125 ms延迟，为400 μm光纤设置400 ms延迟。下面以一种双包层微结构光纤为了介绍亚临界切割过程。

　　这是一个外径为970 μm的空气包层玻璃棒。它具有内外两个结构，即外部的实心结构和内部带孔的结构。内外由一圈黑线分隔，这圈黑线其实是一层非常薄的网格。切割时既要实现非常小的切割角度，还不能破坏内包层和网格结构，否则就会影响波导性质。为此我们采用亚临界切割过程。

　　首先设置一个较低的拉力，让切割刀上来产生初始划擦点，此时它还不足以沿光纤端面传播。等待设定的划擦延迟时间后，我们按一定的步进量增加拉力，再次等待设定的时间。重复以上过程，直到切开端面。上面是在1200克拉力和1秒划擦延迟时的切割结果，内包层和网格线都保持完好。它的切割角度约为1度，符合客户要求的3度以下。

　　对于旋转对准的难点，我们以两种不同保偏光纤的对准为例介绍。因为光纤端面具有特定图案，所以我们这里通过图案识别进行对准，在软件上设定应力棒的位置和大小。但如果端面没有特定的图案，我们可以使用和前面多芯光纤一样的对称算法进行旋转对准。

　　最后是加热的难点。前面软玻璃光纤和多芯光纤的加热都是连续的，但微结构光纤加热时为了避免空气孔塌缩，我们要引入脉冲加热方式，并且使用可快速开启和关闭的钨灯丝，执行一个多步脉冲熔接过程。

　　脉冲熔接一般分五步执行。在前三步中，光纤在微小的推进后执行熔接，而后两步是没有推进的加热过程，由此增加熔接强度。增加熔接强度还可以使用扫描抛光（即回火抛光）的方式。

　　下面简单看几种微结构光纤的熔接案例，在视频的34:45到42:04的一段中有每种熔接案例的简介以及一个完整的光子晶体光纤熔接过程演示。

　　锥形光纤只要通过简单的加热和拉伸就能制作。球透镜的制作过程和锥形光纤相反，即先加热后推进。球透镜制作过程中可能略有下垂，所以在推进过程中还要旋转。分段光纤一般用于医疗成像。此处的示例共有四段，首先在单模光纤上熔接一段无芯光纤，此时光是扩散的。无芯光纤经过切割后熔接GRIN多模光纤进行准直或聚焦，最后熔接第二段无芯光纤；它的端面斜切后镀反射膜就可对相邻物体进行成像。

　　我们一般建议在每次设备启用前或者每天进行一次热校准。不用特别频繁，特别是在制备过程比较单一的时候。有些产线上经常是每次换班的时候进行一次热标准。

　　这是可以的，不过前提是要保证平整的切割端面。搭配Vytran切割刀操作更方便和精确，因为它有一个转移夹具，切割完后可以光纤连着夹具同时过去，这样就不用去移动光纤。如果搭配简易切割刀，切割完之后需要手动地把光纤放到熔接机夹具上。

　　以氟化物光纤为例，如果夹持去除涂覆层的包层时发现断了，那肯定是夹持力太高了。对于双包层石英光纤，如果发现夹完之后包层部分有些发白，那可能也是夹持力太高。如果切割时发现实时监测拉力一直减小或者跳动较大，这说明光纤在打滑，所以夹持力太低。

　　一般而言，首先我们可以看切割端面的图像，比如像前面氟化物光纤切割时出现条纹可能导致熔接时产生气泡。这种情况一般就去排查切割端面。产生气泡的原因还和推进量有关。中间产生凹陷可能是功率太高或推进量不够。所以判断熔接质量首先可以看图像上有没有明显的缺陷。

　　每个熔接参数都会影响图像，而功率、时间、推进量是三个最基本的参数。用户可以修改一小步后检查综合效果，得到较好的图像后看熔接要求。比如要求低损耗熔接时，我们可以接入光源和功率计进行优化。

　　就前面提的两个案例，即使左边的50 kpsi强度的光纤也能手动取出。由于设备接了真空，取的时候依次打开左右两边的夹具，手动固定石英光纤一侧，然后关闭真空，两边都是软玻璃光纤的话就用手稍微把它带一。