光纤微透镜精密研磨在线检测系统开发

虞国良

摘要：通过CCD检测光纤微透镜研磨斜面的去除量，结合图像处理算法优化，控制表面轮廓和斜面角度，满足高功率激光模块与单模光纤的耦合。在线检测保证光纤微透镜满足性能规格和加工效率，实现大批量生产。

关键词：CCD;光纤微透镜;研磨;在线检测

中图分类号：TB47 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）11-0133-02

0 前言

光纤通讯和其它传统的通讯方式一样，经长距离传输之后，讯号会被衰减而无法辨识，因此讯号需要经过适当放大才能继续传送或使用。传统的单波长光讯号放大技术是将讯号在电的领域中放大，其步骤系先将衰减后的光讯号做光-电转换变为电讯号，然后用成熟的电子放大技术将电讯号放大，最后再将放大后的电讯号做电-光转换变回光讯号。

早在1986年，英国南安普敦大学[1]和美国AT&T贝尔实验室[2]就提出了离子态的稀土元素“铒”掺杂在光纤中可以提供1550nm波长的光增益，掺铒光纤放大器（Er-Doped FiberAmplifier; EDFA）的发展也迅速走向实用化。作为EDFA的主要组件之一的高功率泵浦激光可以激发掺铒光纤中的铒离子由基态能阶跃迁到高能阶[3]，以达成粒子分布反转的状态。当信号光通过掺铒光纤，受激铒离子会被诱发由高能阶返回到基态能阶并释放出与信号光相同的受激辐，进而产生放大作用。

1 光纤端面微透镜研磨

一般而言，高功率激光与标准单模光纤之间的耦合效率约只有20%-30%。在光纤端面制作微透镜是促进光纤和激光模态匹配（Mode Match）最有效且低成本的作法，光纤微透镜能提升耦合效率，透过在光纤端面形成特定的微透镜结构，将激光有效地耦合至光纤内部[4]。为了制作出高纵横比（Aspect Ratio）的光纤微透镜，通常都是先将光纤研磨成常用的楔形后再熔烧成为圆柱形光纤微透镜。但由于光纤纤核与纤壳在材料上的差异，熔烧过后的楔形光纤容易产生中间凹陷现象，为了解决这个凹陷的问题，需要制作横截面为菱形的四角锥形光纤结构，使光纤中心的纤核部份突出，避免了熔烧后的凹陷产生。此外透过菱形横截面长宽比的调整，可以制作出高纵横比的椭圆形光纤微透镜，如图1所示。

四面锥光纤端面微透镜制造需要研磨四个锥面和尖点，其尺寸规格主要靠操作者的熟练程度来保证四个锥面的角度，成品率低。研究中设计出一种新型的结构装置，利用CCD来控制光纤微透镜研磨的轮廓精度，通过计算机图像处理的不同算法来控制环境因素对研磨光纤研磨时的影响，从而控制研磨效果。实验装置包括CCD、计算机、数据采集卡、光纤研磨机等，如图2所示。

新型装置把CCD设立于光纤的侧面，用来检测光纤微透镜在研磨过程中的实时轮廓。每个斜面在研磨时加工时拥有不同的轮廓图像，通过CCD获取光纤微透镜的几何图像，检测光纤微透镜研磨斜面的去除量和輪廓，结合图像处理算法的优化，来控制四面锥光纤微透镜的表面轮廓和斜面角度，来满足高功率激光模块与单模光纤的耦合。在波长980nm下单模光纤模场直径分别为4μm和5.7μm，衰减为3.0dB/km和1.3dB/km，纤核和纤壳的偏轴量分别为0.1μm和0.5μm，四面锥光纤的研磨顺序是：先让光纤固定倾斜角度θ，分别固定旋转0°、φ、180°、180°+φ的四个位置上研磨出四个对等斜面。

2 关键技术

经实验证明，在线检测系统可以较好解决如下问题：

2.1 研磨颗粒和灰尘对图像精度的影响

在加工过程中产生小颗粒，另外空气中也不可避免地存在灰尘。而这些小颗粒将会集聚在光纤端面和研磨盘的接触点上，影响图像检测到的光纤端面轮廓，导致错误的检测效果。

2.2 研磨盘的平整度和刚度对图像的影响

研磨盘的不平整和刚度的不足会对光纤的图像产生严重的影响，加工过程中研磨盘的旋转，如果研磨盘不平整会导致光纤上下颤动。如果刚度不足，当光纤端面压在研磨盘上时，会使光纤端面小部分陷入里面，导致CCD图像产生错误的检测结果。

2.3 研磨力使光纤变形对图像的影响

在加工过程中，研磨压力使光纤端面与研磨接触处有一定的作用力。研磨时把持光纤机构成悬臂梁结构，不可避免地会使光纤产生弯曲变形。

2.4 光纤把持机构的设计和精度控制

光纤端面微透镜有严格的性能规格，各面角度及关系有一定的要求。把持机构的控制精度必须满足要求，把持机构滚珠丝杠以及其机构需要适合微小角度的控制。

3 结语

使用CCD在线检测装置检测光纤微端面微透镜的研磨加工，其1μm的精度能够满足光纤微透镜的性能规格要求，摆脱光纤微透镜加工对工人熟练程度的依赖。另外采用特殊的图像处理算法来解决图像处理的精度，同时选定特定点进行测量，消除外界环境因素对测量精度的影响。此在线检测系统制造简单，通过开发专业软件，无须专用设备制作，易于形成产业化，特别适合于光纤连接器企业采用，对于增强企业的市场竞争力、提高企业经济效益有积极作用。

参考文献

[1]E. Desurvire， J. R. Simpson， and P. C. Becker， “High-Gain Erbium-Doped Traveling-Wave Fiber Amplifier， ” Optics Letters， vol.12， pp. 888-890，1987.

[2]S. B. Poole， D. N. Payne， R. J. Mears， M. E. Fermann， and R. I. Laming，“Fabrication and Characterization of Low-Loss Optical Fibers Containing Rare-Earth Ions， ” Journal of Lightwave   Technology， vol.LT-4， pp. 870-876，1986.

[3]W. J. Miniscalco， “Erbium-doped glasses for fiber amplifiers at 1500 nm， ” Journal of Lightwave Technology， vol.9，pp.234-250，1991.

[4]刘君文，何兴道.光纤连接器制作中的端面处理技术[J].光纤与电缆及其应用技术，2007（3）：21-25.

Development of On-Line Measuring System for Precision Grinding of Fiber Microlenses

YU Guo-liang

（Technical College of Zhejiang Normal University，Jinhua Zhejiang  321000）

Abstract：CCD is used to detect the removal of the grinding incline of the fiber microlenses， and image processing algorithm is optimized to control the surface profile and incline angle， so as to meet the coupling between high power laser module and single mode optical fiber. On-line detection ensures that the fiber microlenses meets the performance specifications and processing efficiency， and realizes mass production.

Key words：CCD; fiber microlenses; grinding; on-line detection