面對(duì)多種類型的光纖設(shè)計(jì)，光纖的熔接成為了一個(gè)重要的課題和挑戰(zhàn)。在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)發(fā)具有較大靈活性的熔接設(shè)備，相對(duì)容易滿足不同光纖組合最佳熔接效果。在生產(chǎn)線上，要想實(shí)現(xiàn)跨機(jī)器和長(zhǎng)時(shí)一致性則要困難得多，同時(shí)兼顧實(shí)驗(yàn)室的靈活性和生產(chǎn)線的一致性是一個(gè)更大的挑戰(zhàn)。

不同的玻璃直徑和結(jié)構(gòu)需要不同的加熱面積和加熱功率。新系列熔接機(jī)采用“可變電弧功率放電技術(shù)”，其電極間隔距離可變，電極可擺動(dòng)震蕩放電，新型分立V型槽壓持系統(tǒng)，單個(gè)電機(jī)和放電控制的可編程特殊模式，使得熔接機(jī)能靈活熔接各種類型光纖。為了滿足實(shí)驗(yàn)室靈活性和生產(chǎn)線一致性的要求，開(kāi)發(fā)了一種電弧功率自動(dòng)校準(zhǔn)的技術(shù)，此方法能自動(dòng)選擇正確的放電功率，保證熔接質(zhì)量，優(yōu)化后的熔接參數(shù)可應(yīng)用到生產(chǎn)線上的多臺(tái)熔接機(jī)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)一致性熔接。

近十年來(lái)，為了克服熔接結(jié)果的不一致性，熔接機(jī)廠商研究了不同的放電校準(zhǔn)方法。這種不一致有三個(gè)主要原因：首先，電子元器件和機(jī)械部件的公差可能會(huì)造成不同機(jī)器不一致；其次，電極老化和氧化硅沉積，可能會(huì)導(dǎo)致跨機(jī)器和長(zhǎng)時(shí)間使用不一致；最后，環(huán)境（如壓力、溫度、濕度等）的變化會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間使用不一致。為了改善和解決這種不一致性，現(xiàn)有的放電功率校準(zhǔn)方法有兩類：傳統(tǒng)熔回法和偏移熔接法。

關(guān)鍵字：熔接，放電校準(zhǔn)，大直徑光纖，光纖激光器，特種光纖，可變電弧放電

傳統(tǒng)的熔回法是將兩根光纖端部涂覆層剝除切割，間隔一段距離對(duì)齊，然后電弧放電加熱光纖端面（125um光纖如圖1所示），沿光纖軸心測(cè)量熔回距離，熔回距離過(guò)大降低電弧功率，過(guò)小則增加電弧功率。通常加熱時(shí)間約為8 ~ 20秒，根據(jù)光纖直徑的不同，建議的熔回值為100 ~ 250um，重復(fù)此過(guò)程，直到達(dá)到合適的放電功率。熔回法需要大量的精力準(zhǔn)備光纖，尤其是LDF光纖，而且直徑超過(guò)250um的大直徑LDF光纖熔化會(huì)導(dǎo)致大量二氧化硅顆粒在電極上沉積，使電極的狀態(tài)顯著變化，導(dǎo)致放電校準(zhǔn)不準(zhǔn)確。

在偏移熔接法中，光纖軸向偏移后熔接（如圖2所示），測(cè)量由表面張力引起的偏移量變化，偏移變化過(guò)大需要減小電弧功率，偏置變化過(guò)小需要增大電弧功率。與傳統(tǒng)的熔回法類似，這種方法通常需要多次光纖熔接，才能找到合適的放電功率，所以此方法適用于大多數(shù)玻璃直徑為125um的通信光纖。偏移熔接法不適用于大部分不同直徑類型光纖，因?yàn)槿劢忧靶枰獮槊扛饫w建立合適的電弧功率，因此該方法僅適用于直徑一致的光纖，例如125um玻璃直徑的通信光纖。

圖2▲從左至右：電弧放電前、電弧放電、電弧放電后。偏移熔接法放電功率校準(zhǔn)，光纖1和光纖2是相同的光纖類型，通過(guò)測(cè)量光纖軸上d1-d2偏移變化量，該方法僅適用于直徑為125um的通信光纖。

一種新型的可變功率熔回法，與上面所述的傳統(tǒng)熔回方法和偏移熔接方法都有一些不同，在預(yù)熔過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)加熱光纖發(fā)光部分的長(zhǎng)度，利用光纖熱像圖計(jì)算熔回距離，對(duì)于通信光纖，熔回法可以與偏移熔接法結(jié)合使用。

本文介紹了一種適用于不同直徑類型光纖的放電校準(zhǔn)方法，采用可變電弧功率通過(guò)多段短電弧加熱光纖，然后在光纖端面棱角而不是在光纖軸心上測(cè)量熔回距離，端面棱角熔化速度與光纖溫度成正比，通過(guò)改變多個(gè)電弧的電弧功率，可以使被測(cè)光纖達(dá)到合適熔化速度和所需電弧功率。該方法成功地在采用可變電弧功率放電技術(shù)FSM-100系列熔接機(jī)中對(duì)直徑為80~660um的光纖進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。

1.可變功率熔回法過(guò)程

平整切割的光纖端面，在0.3秒~1秒范圍內(nèi)短電弧放電加熱時(shí)，如果電弧功率太弱，光纖端面不會(huì)變化，如果使用相同時(shí)間的電弧放電，重復(fù)加熱同一根光纖端面，隨著放電功率逐漸增加，當(dāng)功率達(dá)到一定水平時(shí)，光纖端面棱角開(kāi)始變圓，如圖3所示。

可變功率熔回法一些關(guān)鍵技術(shù)，首先電弧加熱時(shí)間很短，并且會(huì)隨測(cè)量的光纖玻璃直徑而變化，對(duì)于125um直徑的光纖，放電時(shí)間僅為0.3秒，而不是傳統(tǒng)熔接中幾秒。其次，放電功率從較低的功率開(kāi)始，并以足夠小的幅度增加，以防止光纖端面變形過(guò)快。最后，棱角熔回可以用多種方法來(lái)測(cè)量，例如可以測(cè)量棱角變形的起點(diǎn)，如圖3所示，也可以測(cè)量光纖棱角半徑的變化或棱角面積的變化作為熔回量的指標(biāo)，本文采用如圖3步驟4所示的定義作為熔回值。

1.測(cè)量電弧中心  2.測(cè)量光纖端面棱角間隔  3.低功率電弧加熱結(jié)束

4.測(cè)量光纖棱角回熔距離（Gap2-Gap1）  5.增加放電功率并重復(fù)步驟4和5   6.根據(jù)棱角回熔斜率計(jì)算所需放電功率

圖3▲放電功率校準(zhǔn)中使用的可變功率熔回法過(guò)程。軸向回熔非常有限，在許多情況下無(wú)法測(cè)量。電極條件不受放電校準(zhǔn)的影響。

2.放電功率校準(zhǔn)結(jié)果

如圖4所示，測(cè)量了不同電弧功率和電弧大小條件下，圖3步驟4中定義的棱角熔回值，圖4中的每條曲線代表一次熔回實(shí)驗(yàn)，熔回實(shí)驗(yàn)由20~30次0.3秒的放電組成，放電功率逐漸變化。放電功率從0bit(~10.5mA)增加到100bit(~14.5mA)，功率每增加一次加25bit，每次功率增加之前，以恒定功率進(jìn)行5次重復(fù)放電確定熔回速度。在電極間隔1mm到3mm的電弧大小設(shè)置下，每間隔1mm，分別進(jìn)行了5次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一致性。在圖4所示，所有實(shí)驗(yàn)使用都SMF28光纖來(lái)驗(yàn)證熔回速度和研究方法的穩(wěn)定性。

圖4▲不同放電功率和不同電弧大小的熔回實(shí)驗(yàn)，放電功率從0bit(~10.5mA)增加到100bit(~14.5mA)，每增加一次加25bit，從1mm到3mm電極間隔，每間隔1mm為一組，每條曲線表示一次熔回實(shí)驗(yàn)，包括20到30次0.3秒短電弧放電。為驗(yàn)證一致性，每個(gè)電弧大小設(shè)置下進(jìn)行了5次實(shí)驗(yàn)。紅色曲線表示電弧功率，曲線上的每一個(gè)點(diǎn)代表一次短電弧放電。

從圖4中我們可以清楚地看到，當(dāng)放電功率恒定時(shí)，每條熔回曲線是線性增長(zhǎng)的，熔回速度是恒定的。隨著放電功率增加，熔回曲線的斜率越陡，表明熔回速度越快，由此可以計(jì)算出恒定放電功率下各個(gè)電極間隔下回熔速度，如圖紅色階躍曲線所示，計(jì)算出的回熔速度如圖5 (a)所示?；厝鬯俣冗€與光纖端面的溫度有關(guān)，由于熔回值是用數(shù)字圖像以像素為單位測(cè)量的，因此我們可以以像素為測(cè)量單位，從而測(cè)量圖5中Y軸所示的熔回速度（與光纖溫度有關(guān)）。此外，圖5 (a)中所有的熔回速度曲線都可以近似為拋物曲線，因?yàn)槭┘釉诠饫w端面實(shí)際熱量與電弧電流的平方成正比，電弧電流在圖5中以X軸表示。從圖5還可以看出，電極間隔越大，熔回速度越快，光纖端面的溫度也越高，這意味著在不同電弧大小設(shè)置下，光纖端面想要獲得相同的溫度，實(shí)際會(huì)應(yīng)用到不同的放電功率。

從圖5中，用數(shù)學(xué)方法設(shè)定一個(gè)期望的目標(biāo)曲線（紅色），這個(gè)目標(biāo)曲線可以是一條曲線，也可以是一條直線，我們可以利用這一目標(biāo)曲線來(lái)調(diào)節(jié)電弧的標(biāo)稱功率（不是實(shí)際功率）和熔回速度。相同的目標(biāo)曲線可用于所有電弧大小設(shè)置，然后可以引入一組校正因子，在相同的標(biāo)稱電弧功率設(shè)置下產(chǎn)生相同的回熔速度。圖5 (b)顯示了與圖5 (a)相同的熔回速度，x軸顯示的是標(biāo)稱電弧功率，操作人員使用標(biāo)稱電弧功率來(lái)設(shè)定他們想要的功率，放電電弧標(biāo)定的目的是將實(shí)際電弧功率投影到標(biāo)稱電弧功率上，也就是說(shuō)，我們可以用電弧校準(zhǔn)來(lái)找到一組校正因子，然后利用這組校正因子建立一個(gè)標(biāo)稱電弧功率的計(jì)算公式。在新的計(jì)算公式內(nèi)，無(wú)論光纖玻璃直徑、電極條件、電弧大小設(shè)置或環(huán)境條件如何變化，相同的放電功率設(shè)置下光纖端面溫度都相同（相同的熔回速度），修正系數(shù)的計(jì)算很簡(jiǎn)單，可將目標(biāo)曲線與實(shí)測(cè)熔回速度曲線的差值作為一組修正因子。

（a）熔回速度vs.實(shí)際電弧功率（b）熔回速度vs.標(biāo)稱電弧功率

圖5▲根據(jù)圖4所示的實(shí)驗(yàn)計(jì)算出的熔化速度，通過(guò)電弧校準(zhǔn)過(guò)程從實(shí)際電弧功率投影到標(biāo)稱電弧功率。放電校準(zhǔn)后，無(wú)論電弧區(qū)域設(shè)置如何，相同的功率設(shè)置將實(shí)現(xiàn)相同的光纖溫度（熔回速度）。Y軸表示每個(gè)電弧的放電像素比例。

3.校準(zhǔn)結(jié)果

（a1）125um放電校準(zhǔn)后光纖端面（a2）1mm電極間距熔接（a3）3mm電極間距熔接

（b1）220um放電校準(zhǔn)后光纖端面（b2）1mm電極間隔熔接（b3）3mm電極間隔熔接

（c1）400um放電校準(zhǔn)后光纖端面（c2）3mm電極間隔熔接

圖6▲分別顯示在（a）、（b）和（c）組中的125、220和400um玻璃直徑光纖的電弧校準(zhǔn)和熔接后的光纖端部，光纖采用不同的電弧大小進(jìn)行熔接。所有上述光纖和電弧大小使用相同的標(biāo)稱功率設(shè)置，以獲得類似的熔接結(jié)果。在（c）組中，1mm電極間隙沒(méi)有圖像，因?yàn)檫^(guò)小的電弧大小不足以熔接400微米光纖。

從圖6所示的示例中，可以看到使用前面描述的新放電校準(zhǔn)方法，125、220和400um光纖可以在不同的電弧大小設(shè)置下用相同的電弧功率設(shè)置進(jìn)行熔接。換句話說(shuō)，在不同光纖類型和電弧大小設(shè)置（電極間隔）條件下，操作人員可以很容易的得到所需的熔接結(jié)果，對(duì)于任何新型或未知類型的光纖，工程師可以輕松的使用相同的功率設(shè)置調(diào)整熔接參數(shù)，無(wú)需繁瑣地尋找合適的放電功率。

圖6中校準(zhǔn)后光纖端面棱角圓化圖片也顯示了軸向回熔量和光纖形狀變形非常小，相比之下圖1 (c)中的傳統(tǒng)熔回方法變形量更高。這種新的回熔方法對(duì)電極尖端的影響非常有限，特別是大直徑光纖，使用傳統(tǒng)的校正方法電極更容易老化。

正如前面所討論的，傳統(tǒng)的熔回法和偏移熔接法在校正過(guò)程中，切割完成的光纖端面放電校正后無(wú)法繼續(xù)使用，需要對(duì)光纖進(jìn)行多次切割。雖然對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的125um通信光纖來(lái)說(shuō)，光纖端制備可能并不繁瑣，但是對(duì)于大直徑光纖進(jìn)行多次光纖端制備可能既昂貴又耗時(shí)。采用本文討論的新方法，不需要再重復(fù)制備光纖，因?yàn)榉烹姀暮艿偷墓β书_(kāi)始，并在連續(xù)的再放電過(guò)程中逐漸增加到所需的水平。

總結(jié)

本文提出了一種適用于多種玻璃直徑光纖熔接的放電功率標(biāo)定方法，其結(jié)果一致且準(zhǔn)確，該方法采用多個(gè)短弧放電加熱光纖，并測(cè)量光纖端面棱角回熔值，棱角熔化速度與光纖溫度成正比。通過(guò)連續(xù)放電改變放電功率，達(dá)到理想的熔化速度，這個(gè)理想的熔化速度也代表被測(cè)試和要熔接的光纖理想的熔接功率。在圖7所示是采用放電電弧大小自動(dòng)控制熔接機(jī)，成功地測(cè)試了直徑從60um到1000um的光纖熔接功率，該方法可以根據(jù)不同的光纖尺寸自動(dòng)選擇正確的放電功率，操作人員可以輕松地將優(yōu)化后的熔接參數(shù)傳遞給生產(chǎn)線上的多臺(tái)熔接機(jī)，從而獲得長(zhǎng)時(shí)一致且高質(zhì)量的熔接結(jié)果。

（a）500um以下光纖熔接機(jī)FSM-100P（b）1200um以下光纖熔接機(jī)FSM-100P+

圖7▲可變功率放電校準(zhǔn)方法在ARCMaster系列熔接機(jī)中實(shí)現(xiàn)，可用于熔接多種玻璃直徑和結(jié)構(gòu)的光纖。

致謝：

感謝N. Kawanishi和他在日本Fujikura的團(tuán)隊(duì)對(duì)這項(xiàng)工作的支持，以及D. Duke和S. Althoff對(duì)文章的建設(shè)性討論和校對(duì)。