光纤基础器件及工艺实现介绍

OplinkCollimator/PigtailTechnicsInstructionZhanBi2010-8-2ContentFiberCapillaryPigtailLensCollimatorReferenceFiber光纤的制造——石英光纤预制棒制备方法1：化学汽相沉积法（MCVD：ModificatedChemicalVapourDeposition）方法2：汽相轴向沉积法（VAD：VapourPhaseAxialDeposition）以SiCl4为原料，参杂GeCl4，PoCl3，BCl3。GeO2构成纤芯，B2O3构成包层工艺关键点：提纯去除OH离子，Cr3+，Fe2+等，以获得低损耗；无气泡，裂纹，灰尘；折射率分布。拉制将预制棒的顶端部分熔融，熔融的同时将顶端的软化部分拉出，类似制作“糖人”。然后再用UV胶涂覆，形成裸纤。工艺关键点：温度；包层和涂覆层尺寸的控制；熔融部分的位置控制等；套塑成缆250umBareFiber无这两步形成900umTightBuffer或者形成带状光纤，涂覆材料：PVC;Polyester;PVDFFiber光纤的参量1.折射率分布以及结构尺寸（a，n）2.数值孔径NA、归一化频率v和传播模式3.光纤的损耗与工作波长4.光纤的色散5.Oplink常用光纤6.光纤-光纤的耦合损耗Fiber折射率分布以及相对折射率相对折射率Δ=(n1-n2)/n1;对于多模光纤MMF，Δ≈1%；对于单模光纤SMF，Δ≈0.3%SMF-28eCorning，Δ≈0.36%Fiber几种典型的折射率分布曲线常见于单模光纤常见于多模光纤色散位移光纤Fiber数值孔径NANA（1310nm）=0.1246NA（1550nm）=0.1244Fiber归一化频率，反映光纤结构特征的参数结论：调整光纤的a或NA即可调节V参数；阶跃光纤若想获得单模传输，则V<=2.405；在保证单模传输情况下，V值越高越好，以保证有很小的弯曲损耗。事实上V<3仍然可以保证单模工作（高阶模短暂出现，然后急剧衰减消逝）。Fiber传播模式，与光纤的a，NA，V值，工作波长等边界条件相关SMF-28e在1300nm下，传播模式只有一个，即保持单模传输。场能量分布x-yFiber此2图中反映1300nm光，在SMF-28e光纤单模传输500um之后，接着在一段包层中发散传播的情况。FiberSMF-28e在1250nm下，传播模式增加至3个，即多模传输。场能量分布x-y阶跃光纤模数M=V^2/2Fiber光纤的损耗光纤的损耗包括：吸收损耗本征吸收——限制了石英光纤的工作波长的上线为9.1um。杂质吸收——有3个吸收峰，1.39um，1.24um和0.95um，OH根离子吸收，决定了通信用的3个波段（窗口），850nm，1300nm，1550nm。SMF-28e是消水峰光纤。注意熔融器件将使得吸收峰再次出现，如TEC，Coupler等。原子缺陷吸收——石英光纤不敏感Fiber光纤的损耗包括：2、散射损耗瑞利散射——不可消除，与波长的四次方成反比，与光纤的材料（A，B）有关。а

sr=A*（1+BΔ）/(λ^4)

受激喇曼散射和受激布里渊散射——在光纤中传输的能量达到一定阈值时，才能产生。决定了光纤可传输的最大功率。一般spec定义500mw。温度越低，阈值越小。3、弯曲损耗——与传播模式，模场半径有关。高阶模的弯曲损耗更大；模场半径越大，弯曲损耗越大。Fiber光纤的工作波长SMF-28e光纤下限约为1.256um（软件模拟），上限受制于本征吸收，小于9.1um。Fiber光纤的色散FiberOplink常用光纤CorningSMF-28eFiberADCPVDF900umFiberCorningPureModeHI1060FiberFujikuraPMfiberFiberNufern1550B-HPFiberCorningInfiniCor62.5umMMFFiberOplinkTECfiber扩束区高温烧制后，切成两段目的：MFD匹配Minimizeω0PDLMFD增大，NA和Δ减小经验获得，扩束有效长度不超过0.6mm。Pigtail返工研磨不能超过2次。工艺控制点：气流、温度、时间，切断位置，BeamScaner测试。Fiber光纤-光纤的耦合损耗内部损耗因子a相对折射率差Δ折射率分布参数g失配外部损耗因子ar/az/aq/——横向偏移——纵向偏移——角向偏移端面处理的质量端面反射损耗Fiber①内部因子引起的损耗是非互易的，Δ小→Δ大：损耗小；Δ大→Δ小：损耗大；.②横向失准和角详失准对连接损耗的影响比纵向失准大得多，且难调整。③多模光纤a、D引起的损耗大，可达0.05~0.2dB。④单模光纤的内部损耗因子归结为唯一的参数：基模模场半径W0；单模光纤芯径小，对横向偏移和角向偏移敏感，要使损耗小于0.05dB，调整误差应在零点几纳米以内。Fiber⑤菲涅尔反射损耗（单面）()()dB4lg102cogcoggapnnnn+-=Ggn：端面间隙材料折射率，con：纤芯轴线处材料折射率，FiberKg=2πng/λo,间隙中的波数Fiber（dB）（dB）Capillary简介毛细管种类与用途Capillary毛细管是常规器件中重要的结构件，因为裸光纤是不易操作的，例如研磨，耦合光路，封装等。材质：硼硅酸盐玻璃产家：NEG/F&DOplink所用品种：单/双/三/四线，1.0mm/1.8mm毛细管的作用：保护光纤需要——裸光纤不可暴露，便于使用封装结构需要——外径公差，光路同轴，减小器件尺寸光学光路需要——间距光纤研磨需要——方便研磨Capillary单线毛细管加工难度低，成品率高Capillary双线毛细管间距满足正态分布，大致分布在d+/-2um以内。Capillary三线毛细管3路隔离器使用Capillary四线毛细管Switch，HWDM间距最大128um，最小124umPigtailOplinkpigtail加工工艺pigtail的质量评价存在的工艺问题和后续改善PigtailOplinkpigtail加工工艺-一般产品PigtailOplinkpigtail加工工艺-双线TEC开始烧制测试MFD抽测光斑并纤装管用可见光光斑监控来料的MFD烧制时，光纤由于重力作用，会有微弯。并纤的作用就是使得两光纤尽可能微弯方向一致。并且烧制后，光纤直径变小。并纤使得光纤往毛细管的管壁靠拢。如果不采取并纤。两光纤将形成微小空间角，从而影响IL。装夹研磨研磨时，要求被研磨光纤研磨量不要超过0.2mm，且整盘光纤需对其光纤，而不是对其毛细管。从而最大限度保证两光纤MFD匹配。PigtailOplinkpigtail加工工艺-PM双线PM转猫眼测猫眼角度去应力DH168标志线用来消除研磨过程中给PM光纤带来的应力消除初期断纤的隐患测试猫眼方向，5度以上报废PigtailOplinkpigtail加工工艺-MiniSW3线做终端灌胶光纤与刀片的切割角度为40°-60°

使得加棱镜后，2线即使有光，亦可被消逝掉，而不会有光返回。特别是针对1：1保护。PigtailPigtail的质量评价vs控制点vs影响光纤长度、种类和外观→管理；记号→功能失效光纤与毛细管的胶合质量→胶的品质和固化，毛细管清洗→断纤，拉力，TDL，管裂等端面表面质量→磨料质量；环境；压力；时间；抛光液配比；清洗→IL，RL，ER研磨角度→夹具质量；装夹力度和对齐；压力→RL，IL光纤排列→夹具质量；装夹对齐→IL，角度匹配镀膜质量→清洁；膜厚；膜层致密性；膜料→RL，IL，长期可靠性，PDL，IS，CT，ER毛细管品质→来料，IPQC→IL，管裂等Lens高斯矩阵变换G-lensC-lensG-Lens/C-lens制作工艺Lens近轴子午光学系统的变换矩阵任一伴轴子午光线可由两个坐标参数表征为矢量一个是光线离轴线的距离r，

另一个是光线与轴线的夹角theta，我们规定光线出射方向在轴线上方时,theta为正，反之为负。伴轴子午光线矢量在介质中的传输变换为线性变换，即变换方程为：矩阵表示为称矩阵M为介质的光线变换矩阵。Lens若光线连续通过变换矩阵为M1,M2…Mn的光学系统则，即整个光学系统的变换矩阵M=Mn*…M2*M1M1M2…….Mn=Mn*….M2*M1LensLensG-Lens自聚焦透镜又称梯度渐变折射率（GRIN）透镜，其折射率从中心轴到周边沿径向梯度减小，呈轴对称抛物线分布。目前的供应商有NSG，奥普，西安飞秒。渐变折射率光纤n方程自聚焦透镜在原理上是一段自聚焦光纤，只不过pitch短，NA较大0.2~0.6，离子交换。Δ——相对折射率差；ａ——透镜的半径；n0——透镜轴线处的折射率LensG-lens的近轴子午光线在透镜内的传输变换矩阵G-lens的参数定义Lens以入射面A点为基点O→A的矩阵描述：A→B的矩阵描述：B→I的矩阵描述：总的传输矩阵：LensLensSqrt（A）LensC-lensLRM=1L/n(1-n)/R(1-n)L/nR+1C-lens是一端设计成平面，另一端设计成曲面，单一折射率的厚透镜。目前无源器件统一使用SchottSF11作为各种曲率的C-lens材料。L/n1M’=(1-n)/R(1-n)L/nR+1从左至右传播从右至左传播Lens前焦距f’=R/(n-1)后焦距f={L+(R-L)n}/{n(1-n)}从公式中可以看出，前焦距与n和R有关。而n是波长的函数。因此工作波长不同，前焦距不同。由于波长越长n越小，则前焦距越大。另R越小，则前焦距越小。后焦距同时与n，L和R有关。可以得出L越大，则后焦距越小；R越小，后焦距则越小，n越小，后焦距则越小。以我们常用SR=1.45，L=3.1mm，C-lens为例：1310nm，对应的前焦距f’=1.936mm，后焦距f=0.164mm1550nm，对应的前焦距f’=1.947mm，后焦距f=0.170mmLensG-lens加工工艺为了获得折射率成梯度分布的棒透镜，制备自聚焦透镜最为常用的方法是离子交换法，它具有成本低和容易控制等优点，被广泛地用于光通信用自聚焦透镜的制作。主要工序及流程包括：玻璃熔炼，玻璃棒加工，拉制纤维，离子交换，棒透镜抽样测试。其基本原理图如下：

由于一价金属离子在玻璃中具有最大的扩散系数，为获得GRIN棒，在高温下，将基础玻璃放入熔融盐浴中，引发离子交换反应，用熔盐中的对折射率贡献较小的离子部分替换基础玻璃中对折射率贡献较大的离子，使这两种离子在玻璃中的浓度形成一定的梯度，而在玻璃中产生折射率梯度。基础玻璃中必须具有足够的高极化率离子(Tl+，Cs+，Ag+

等)，而用于离子交换的熔盐应含有电子极化率小的离子(K+

或Na+)。为满足光通信用自聚焦透镜的要求，基础玻璃配方必须符合如下条件：1，符合设计要求的光学性能（折射率，光吸收等）；2，合理的熔制温度，以及高温下合适的粘度；3，满足成型所要求的料性；4，较高的离子交换系数；5，高温及常温下的足够的化学稳定性。

Sqrt(A)的控制水平代表了其加工水平LensC-lensLensLens加工质量因子C-lens&D-lens特有CollimatorCollimator简介Collimator的高斯传输双光纤准直器Collimator的耦合OplinkCollimator制作工艺Collimator功能元件：Lens和Fiber结构物料：玻璃/金属管，353ND胶目的：使得光纤出来的光形成一定工作距离的准直，从而可以插入其他光学功能元件，是微光无源器件的基础元件。

Lens尾部胶管道胶Pigtail结构示意图Collimator结构示意图Collimator准直器的高斯传输CollimatorCollimator在lens约定的情况下，光纤的位置决定了工作距离和光斑大小同理，换成C-lens的传输矩阵，亦可求出L与Zw和Wt的关系Collimator针对Grin-Lens和C-Lens，分析工作距离、光斑尺寸与透镜参数的关系C-lens更易获的大的工作距离。CollimatorCollimatorC-lensSR1.45L3.1mm，1550nmCollimatorG-lensSLC-1.80.23Psqrt（A）=0.32278Collimator双线准直器CollimatorCollimator透镜前焦距俗称透镜出光角度CollimatorC-lensSR1.45L3.1mm间距（um）角度（deg）Collimator准直器耦合损耗1波长2光纤失匹3纵向失匹4横向失匹5角度失匹Collimator下面以SR1.45，L3.1SF11C-lens单线准直器为例CollimatorILvs

波长，可以看出波长是不敏感的CollimatorILvs

后截距，可以得到后截距对IL是非常敏感的CollimatorILVs工作距离是比较不敏感CollimatorILVs横向错位较敏感CollimatorILVs角度是非常敏感的CollimatorCollimator角度失匹>横向失匹>径向失匹CollimatorMFD越小，对角度失匹越不敏感IL角度CollimatorOplink准直器工艺Collimator准直器调节方法1单线自反射调节用于：大隔离器，PMBC单线，开关单线，Master制作等。2单线对调法用于：LLCC，miniISO，VOA，等长工作距离或超低IL要求的器件ddCollimator准直器调节方法3双线对调法用于：大环行器，工作距离长的器件4多线反射法用于：MiniCIR，开关，多路隔离器f’dCollimator准直器上胶方式1调节时，在毛细管上点353ND。反复推进拉出，用棉签擦掉尾部353ND，点上UV305胶，然后再推进，调节参数后，UV固化。最后在85，110梯度热固化。2调节完参数后，在位于毛细管一端的金属管管孔内，点UV305，然后再UV照射。之后，在热盘上从准直器尾部点353ND，在重力和毛细现象下，让其填充毛细管与金属管之间的缝隙Collimator准直器的光学参数失效分析设计失效：Lens的NA，SR与光纤不匹配Lens的SR、工作距离与光斑大小不匹配光纤间距的选择固有的像差来料的失效：Pigtail/Lens的光路散射损耗Coating不合格C-lens局部面型，造成像差和光斑畸变FiberMFDLens与holder之间的配合Pigtail与holder之间的配合C-lens折射率或者G-lenssqrt（A）不正确H型光纤或V型光纤不标准。Pigtail的其他参数，如ER等Collimator过程失效C-lens或调节后的pigtail的胶固化的不充分，烘烤后跑参数353ND胶粘接holder或c-lens或pigtail的面积或者强度不够调节中工作距离选取不对调节过程中后截距没有置于最佳位置光路被异物遮挡，造成损耗光纤的高低点与透镜斜面成夹角调节中工作波长选取不正确光纤标记与透镜标记不重合由于存在间隙配合，pigtail与lens之间存在俯仰角（常出现在金属管准直器中）Collim