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光纖熔接技術(shù)的原理是什么？

目前的主流光纖熔接機(jī)熔接技術(shù)原理簡言之就是：

1.先是光纖對(duì)準(zhǔn)——主要是側(cè)向成像對(duì)軸法，對(duì)光纖的側(cè)面成像進(jìn)行圖像處理，尋找與光纖位置或是方位角相關(guān)的特征值作為自變量，反推出因變量（也即光纖的位置或是方位角信息），并通過精密馬達(dá)系統(tǒng)控制光纖的平移與旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到熔接前的對(duì)準(zhǔn)；

2.對(duì)準(zhǔn)完成以后就是熔接了，還是說主流——預(yù)加熱熔接法，先是清潔放電對(duì)光纖端面進(jìn)行除塵處理，然后預(yù)放電對(duì)光纖端面進(jìn)行預(yù)熱整形，最后在主放電環(huán)境下，使一根光纖軸向移動(dòng)，完成兩根光纖的熔接，并形成一個(gè)光纖熔接點(diǎn)。(PS.光纖對(duì)準(zhǔn)的方法還有很多，比如有源軸向?qū)?zhǔn)法就與我說的不同，但既不是寫文獻(xiàn)綜述，其余方法也便不提了，切勿以為只此一種。)

圖1 圖1

圖1是一個(gè)典型的光纖側(cè)面成像光路，圖中的PM Fiber是保偏光纖，當(dāng)平行光通過光纖時(shí)，光纖相當(dāng)于是一個(gè)柱透鏡，對(duì)光線有一定的匯聚作用，學(xué)過光學(xué)的人都應(yīng)該清楚，在紙平面上，光線匯聚后并不是一個(gè)點(diǎn)，而是發(fā)散的，因?yàn)橛星虿?，同時(shí)觀察屏（Observation Plane）與光纖之間的距離不同，在屏上得到的光強(qiáng)分布也是不同的（可以想象一下光線被匯聚后又發(fā)散的樣子）。圖1中通過一個(gè)透鏡將觀察屏上的光強(qiáng)分布投映到了CCD面陣上，被接收為圖像信號(hào)，然后根據(jù)圖像亮度的不同，得到了一條光強(qiáng)分布曲線（Light Intensity Profile），從曲線中可以讀出以下信息：

在曲線的中心位置，由于光纖柱透鏡的匯聚作用，對(duì)應(yīng)著觀察屏上光強(qiáng)最強(qiáng)的區(qū)域，再往兩邊過來一點(diǎn)，幾乎很少有光打在屏上，所以光強(qiáng)曲線的值幾乎為零，再往兩邊過來一些，就是沒有經(jīng)過光纖的光線，光強(qiáng)又比中間經(jīng)過匯聚后的光強(qiáng)值稍弱一點(diǎn)。

然后，把視野拉到立體模型上來，如果是一根光纖被照射，對(duì)應(yīng)CCD面陣上接收的圖像就應(yīng)該是這樣子的了，看圖：

有過熔接經(jīng)驗(yàn)的人應(yīng)該很熟悉了，這是光纖的側(cè)面成像經(jīng)CCD光電轉(zhuǎn)換后的灰度圖像，光強(qiáng)值越大，對(duì)應(yīng)的白條紋越亮。

OK，以上是基礎(chǔ)知識(shí)，下面稍進(jìn)一步，再詳盡一點(diǎn)。

剛才有提到保偏光纖PM Fiber，而且細(xì)心的人應(yīng)該也會(huì)發(fā)現(xiàn)圖1里標(biāo)注的h和18°,下面講它們的用途。如果是單模光纖，那么無論光纖處于什么樣的方位角（也即無論光纖怎樣旋轉(zhuǎn)），得到的光強(qiáng)分布是不變的，所以可以直接通過Light Intensity Profile確定光纖的纖芯位置，并完成對(duì)準(zhǔn)工作。如果是保偏光纖，光纖的對(duì)準(zhǔn)工作就會(huì)增加難度，由于光纖內(nèi)部應(yīng)力區(qū)的非圓心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，當(dāng)光纖旋轉(zhuǎn)時(shí)，也即方位角變化了，得到的Light Intensity Profile曲線也會(huì)改變，所以我們需要從變化的Light Intensity Profile曲線中提取出與光纖方位角相關(guān)的一個(gè)特征量，用來判斷光纖此時(shí)的方位角度，然后才能完成兩根保偏光纖的0°或是任意角度的對(duì)軸熔接。而在圖1中，我們可以提前知道答案了，那個(gè)h就是與18°（光纖方位角）相關(guān)的特征量。

要具體研究h與方位角的對(duì)應(yīng)關(guān)系，則需再嚴(yán)謹(jǐn)一點(diǎn)，先確定觀察屏的位置。

目前在國內(nèi)流通的主流保偏光纖熔接機(jī)里，使用較多的保偏光纖對(duì)軸方法有兩種，其一是瑞典愛立信公司發(fā)明的POL對(duì)軸法，另一個(gè)就是日本藤倉（要是我沒記錯(cuò)的話，此處存疑）發(fā)明的PAS對(duì)軸法。兩種對(duì)軸方法的區(qū)別就是觀察屏位置的不同，POL的觀察屏在光纖圓柱透鏡效應(yīng)的焦點(diǎn)處，其全稱是Polarization of observation by lens-effect tracing，而PAS的觀察屏位置則比較靠前，好像是在纖芯與焦點(diǎn)的中點(diǎn)處（此處存疑，回頭我再查查資料），其全稱是Profile alignment system，俗稱中心圖像直接監(jiān)測法。

POL法的Light Intensity Profile曲線就如圖1中所示，最大光強(qiáng)分布尖峰是在中間位置，當(dāng)光纖旋轉(zhuǎn)時(shí)，Light Intensity Profile曲線中的最大對(duì)比值h（最大光強(qiáng)與最小光強(qiáng)的差值）始終位于光纖中心位置，且其大小隨著光纖方位角的變化而變化，是POL法的特征量。當(dāng)光纖方位角從0°變化至360°時(shí)，得到h關(guān)于光纖方位角的一條關(guān)系曲線，也即POL曲線：

上面是不同類型PM Fiber的POL曲線，可以發(fā)現(xiàn)它們的POL曲線也是不一樣的。 上面是不同類型PM Fiber的POL曲線，可以發(fā)現(xiàn)它們的POL曲線也是不一樣的。

下面就進(jìn)入了算法部分，當(dāng)我們測量出了PM Fiber的POL曲線以后，如果是同種光纖的熔接，它們的POL曲線在形狀上是相同的，只是曲線在整體分布上會(huì)有一定的角度偏移，這時(shí)候可以通過直接相關(guān)算法來計(jì)算出二者的方位角差值。公式我就不貼了，有興趣直接翻文獻(xiàn)去吧，我會(huì)在后面給出。

上面是同種光纖的POL曲線以及采用直接相關(guān)算法得到的相關(guān)系數(shù)曲線，相關(guān)系數(shù)曲線的峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的偏移角α即是兩側(cè)待熔光纖的主軸角度差，通過馬達(dá)旋轉(zhuǎn)光纖，使得α=0，即完成了0°對(duì)軸。但是這種方法有一個(gè)缺點(diǎn)就是不能分別找準(zhǔn)左右兩側(cè)光纖各自的方位角值，于是還有一種算法就是間接相關(guān)算法。