奥鑫高可靠性耦合器设计

作者：

奥鑫通讯

浏览次数：

时间：

2022-05-20

光纤耦合器是一种光分路与合路的光无源器件。随着现代网络通信及信息交流的需求越来越高，全球通讯网络逐年不断升级，从2G、3G、4G到现在的5G，在民品应用领域，市场潜力很大。

比如，光纤通信网络中由于光在传输过程中的损耗和色散, 需要使用光放大器, 尤其是掺铒光纤放大器(EDFA) 来延长通信距离。光纤耦合器是EDFA 中使用的基础与核心光学元器件，用量巨大，以及近年来兴起的自动驾驶用车载激光雷达，里面也有光纤耦合器的应用。作为EDFA以及车载激光雷达中使用的基础元器件，一旦器件失效，相应的设备也会无法正常工作，所以光纤耦合器的可靠性是一个重要的研究课题。

光纤耦合器是在高温熔融下对光纤的二次加工。光纤耦合器最严重的失效模式为光纤断裂，耦合器会完全失去其功能，导致整个设备无法运行。石英光纤的主要成分是高纯度的SiO2，从理论上来说，常用的光纤的断裂强度可以达到20kg，但是由于光纤在制造过程中的环境、原材料和操作方法等的影响，会使其表面产生微裂纹，致使其强度大大降低。这些微裂纹的生长和扩展会进一步导致光纤断裂。在有水环境中，玻璃表面吸附水汽并发生缓慢的水解反应，导致网络结构—Si—O—Si—中的硅氧键断裂，桥氧变成非桥氧，硅氧键断裂的结果使玻璃形成微裂纹并使微裂纹不断增长。应力作用又促进断键反应的持续进行。所以光纤断裂的生长和扩展速度是应力和水的腐蚀共同作用的结果。在理想真空中，玻璃不与水发生断键反应，就不存在疲劳现象。所以为了避免光纤疲劳断纤，延长光纤的使用寿命，就要尽量降低光纤的裂纹损伤程度，减少水对光纤的化学腐蚀，降低光纤上的应力，以降低裂纹扩展速度。

光纤裂纹生长图示

结合光纤耦合器的制作流程，我们从光纤耦合器的各个加工环节来控制微裂纹的产生，筛选及延缓生长。

制作流程图

流程图中的前四个步骤是光纤耦合器主要的加工过程，每一个步骤都有可能由于人员操作或者工器具、工艺设计不合理导致光纤产生较大的微裂纹。为了保证一个最低的光纤强度，我司根据康宁的建议设计了一个100%筛选试验。筛选试验的目的就是将整个光纤加工长度上的强度低于或等于筛选应力的点去除，保证幸存光纤的机械可靠性。