通过改变多个电弧的功率，我们可以确定被测光纤所需的电弧功率和合适的熔接速度。使用新型可控等离子区熔接机，该方法已被证明具有一致性和精确性。该熔接机能够自动选择不同玻璃直径光纤的正确电弧功率。它使得优化的切割和熔接参数能够轻松地传输到生产线上的多台熔接机，从而实现高质量的熔接。1.0
引言
与电信行业（其中大多数光纤直径通常为125微米）不同，其他领域（例如生物医学实验室和光纤激光器生产线）通常使用各种直径的光纤[1-3]。对于光纤激光器，常用的光纤是玻璃直径为125、220、300和400微米的大模场面积（LMA）光纤。为了在光纤激光器和生物医学系统中实现更高的功率输出和传输，通常使用直径为 550、660 和 1000 微米的玻璃光纤。我们在测试中使用玻璃直径而非包层直径，是因为在许多大直径光纤（LDF）设计中，例如双包层光纤（DCF）、某些单模光纤、多模光纤（MMF）等，光纤包层或部分包层并非玻璃材质。此外，对于许多双包层光纤而言，即使测量玻璃直径也不方便，因为它们的玻璃横截面可能呈六边形或八边形，以破坏和消除螺旋模式。双包层光纤的玻璃直径是基于平均直径计算的。
光纤的种类繁多不仅体现在玻璃直径上，其结构也与电信领域使用的光纤大相径庭。大直径光纤（LMA）的纤芯直径可以从 10、15、20、25、30 到 35 微米不等。光纤的纤芯数量可以从单芯、双芯到多芯不等，例如七芯光纤。纤芯材料也多种多样，可以是纯二氧化硅、掺硅锗，或者仅仅是光子晶体光纤（PCF）的孔洞。保偏光纤（PMF）的包层结构差异更大。此外，张力施加区域的形状也各不相同，例如熊猫形、蝶形、椭圆形护套以及其他新开发的结构。
面对如此繁多的光纤设计，这些光纤的熔接变得至关重要且极具挑战性。
研究实验室和生产线对切割和熔接的质量要求差异显著。在研究实验室中，研究人员通常使用一台熔接机，专注于优化切割和熔接参数，以实现多种不同光纤组合的更佳熔接效果。然而，生产线通常使用多台熔接机，并且必须始终如一地生产出性能可靠的相似组合。衡量熔接质量的标准有两种：机器间一致性和时间一致性。前者要求在生产线环境下，对多台熔接机应用优化的实验室参数时保持一致性。后者要求在不同的切割和熔接条件下，使用相同的切割和熔接参数，进行长时间重复熔接，并保持熔接结果的一致性。
在实验室中开发具有高灵活性的熔接机以生产高性能熔接相对容易。但
要实现生产线上使用的熔接机设计在不同机器间或长时间操作中的一致性则困难得多。同时兼顾实验室灵活性和生产线一致性的设计更具挑战性。
不同的直径和玻璃纤维结构需要不同的加热区和加热功率。新型熔接阵列系列 ARCMASTER [4] 具有可控等离子区。凭借其可变电极间距、振荡等离子技术、通用光纤夹持系统以及用于单独控制电机和电弧的特殊可编程功能，ARCMaster 熔接机提供了熔接灵活性，并可对各种光纤进行成型。为了兼顾实验室所需的灵活性和生产线所需的稳定性，一种名为电弧功率校准的基础技术应运而生并得到应用。电弧校准方法通过自动选择正确的电弧功率，并将优化的熔接参数传输到生产线上的多台熔接机，从而确保熔接质量的一致性，发挥着至关重要的作用。
过去十年间，许多熔接机制造商[5-8]对电弧校准方法进行了研究，以克服熔接结果不一致的问题。这种不一致性主要源于三个原因。首先，电子元件和机械部件的公差会导致不同机器间的不一致性。其次，电极老化和二氧化硅沉积会导致不同机器间以及长时间运行后的不一致性。最后，环境变化（压力、温度、湿度等）会导致长时间运行后的不一致性。为了改进和解决这些不一致性，目前已发展出两类电弧功率校准方法：传统的熔回法和偏移熔接法。1.1
传统熔回法。
传统的熔接法中，光纤的两端被移除、切割并对齐到指定距离，然后通过电弧放电加热（图1为125微米光纤，另见[6]）。加热光纤末端后，沿光纤轴线测量熔接距离。如果熔接距离过大，则降低电弧功率；如果熔接距离过小，则增加电弧功率。在熔接电弧功率下，典型的加热时间约为8至20秒。推荐的熔接距离范围为100微米至250微米，具体取决于光纤直径。
必须重复此过程，直至获得合适的电弧功率。这种方法需要大量的光纤预处理工作，特别是对于激光多普勒光纤（LDF）。另一方面，熔化大段光纤会导致直径大于250微米的LDF电极上形成大量的二氧化硅沉积物。熔接法会显著改变电极状态，从而导致电弧校准不准确。
（a）电弧放电前
（b）电弧放电
（c）电弧放电后
光纤熔接会导致LDF光纤电极尖端沉积大量二氧化硅颗粒，从而导致电弧校准不准确。
（A）电弧放电前
（B）电弧放电
（C）电弧放电后
图2：用于电弧功率校准的偏移熔接法。偏移量沿光纤轴线测量，d1-d2表示偏移量的变化。光纤1和光纤2为同一种光纤。该方法适用于直径小至125微米的通信光纤。1.2
偏移熔接法
在偏移切割熔接法中，光纤以偏移轴线进行熔接（参见图2中125微米光纤的示意图[6]）。测量由表面张力引起的偏移量。如果偏移量过大，则需要降低电弧功率；如果偏移量过小，则需要增加电弧功率。与传统的熔接法一样，该方法通常需要多次光纤制备和熔接才能获得可接受的电弧功率。这种方法适用于通信光纤，因为大多数玻璃光纤的直径均为125微米。
然而，对于大多数不同直径的光纤，这种偏移切割熔接法并不适用，因为在熔接前需要为每根光纤设定合适的电弧功率。因此，这种方法仅适用于直径恒定的光纤，例如直径为125微米的通信玻璃光纤。1.3
一种新型可变功率熔接方法技术
前几节中描述的传统熔接方法和偏移熔接方法都存在一些改进。例如，可以通过检查加热光纤发光部分的长度，利用预熔接过程中加热光纤的图像来计算熔接距离[8]。对于通信光纤，熔接方法还可以与偏移熔接方法[7]相结合。
本文介绍了一种适用于多种光纤尺寸的新型电弧校准方法。该方法使用多个不同电弧功率的短电弧加热光纤。然后，在光纤端角处测量熔接距离，而不是沿光纤轴线测量。光纤拐角处的熔合率与光纤温度成正比。通过改变多个电弧的功率，可以针对待测光纤获得合适的熔合率和所需的电弧功率。该方法已在配备可控等离子区的ARCMaster熔接机上成功测试，适用于直径为80微米至660微米的光纤。2.0
可变功率熔接
2.1 可变功率熔接工艺
当使用极短的电弧放电（0.3秒至1秒）加热切割后的光纤端面时，如果电弧功率过弱，光纤端面不会改变形状。如果使用相同的电弧时间多次加热同一光纤端面，但逐渐增加电弧功率，我们可以观察到，在一定的功率水平下，光纤端面的拐角会再次开始变圆，如图3所示。
可变功率熔接工艺采用了一些关键技术。首先，电弧加热时间非常短，并且会根据被测光纤的直径而变化。对于直径为 125 微米的纤维，电弧持续时间可短至 0.3 秒，而传统熔接则需要数秒。其次，电弧功率从低功率开始，逐步增加，刚好足以防止纤维端面变形过快。第三，拐角熔接的测量方法有很多种。例如，可以测量拐角变形的起始点，如图 3 所示。纤维拐角半径的变化或拐角区域的变化也可以作为熔接程度的指标。本文采用图 3 步骤 4 所示的第一种定义作为熔接值。1
. 测量电弧中心
。2. 测量到纤维拐角的间隙距离
。3. 使用低功率电弧加热纤维端面。4
. 测量纤维拐角处的熔接程度（Gap2-Gap1）。
5. 增加电弧功率并重复步骤 4 和 5。6
. 根据熔合角的角度计算所需的电弧功率。
图 3：功率电弧校准中可变电弧功率熔合方法的示意图。轴熔合非常有限，在许多情况下无法测量。电极状态不受此电弧校准的影响。2.2
功率电弧校准
如图 4 所示，针对不同的电弧功率水平和等离子体区域配置，测量了图 3 步骤 4 中定义的光纤端面熔合情况。图中的每条曲线……图 4 表示一个熔合测试，该测试包含 20 至 30 次重复电弧，电弧持续时间为 0.3 秒，但电弧功率可变。电弧功率水平从 0 比特（约 10.5 mA）到 100 比特（约 14.5 mA），以 25 比特为增量。在每个功率增量之间，以恒定功率进行 5 次重复电弧，以确定熔合率。为了验证结果的一致性，对每种等离子体区配置进行了五次测试，电极间距从 1 mm 到 3 mm，以 1 mm 为增量递增。在图 4 所示的所有测试中，均使用 SMF28 来比较熔合率并研究该方法的稳定性。
电弧功率从 0 位（约 10.5 mA）到 100 位（约 14.5 mA），以 25 位为增量递增。等离子体区电极间距从 1 mm 到 3 mm，以 1 mm 为增量递增。每条曲线代表一次熔合测试，该测试包含 20 到 30 次重复电弧，每次电弧持续时间为 0.3 秒。为了验证结果的一致性，对每种等离子体区配置进行了五次测试。红色曲线表示电弧功率。曲线上的每个点代表一次重复电弧。
从图 4 可以清楚地看出，当电弧功率恒定时，每条熔合曲线均呈线性增长，对应于恒定的熔合率。随着电弧功率的增加，熔合曲线的斜率越陡，表明熔合速率越快。因此，可以在每个恒定电弧功率区域（如图中红色阶梯曲线所示）计算熔合速率。计算得到的熔合速率如图 5(a) 所示。我们还观察到，熔合速率与光纤端面温度相关。由于数字图像的熔化值是以像素为单位测量的，因此我们可以采用像素作为测量单位，从而以每次重弧的像素数来测量图 5 中 Y 轴所示的熔化速率（与光纤温度相关）。此外， 
图 5(a) 中的所有熔化速率曲线都可以用抛物线近似表示，因为施加到光纤端面的实际热能与电弧电流的平方成正比，如图 5 中 X 轴所示。图 5 还显示，电极间距越大，熔化速率越高，光纤端面温度也越高。这意味着，为了在不同的等离子体区域配置下获得相同的光纤端面温度，我们需要施加不同的实际电弧功率。
如图 5 所示，可以通过数学拟合得到一条目标曲线（红色）。该目标曲线可以是曲线，也可以是直线。我们可以利用这条目标曲线来调节标称（而非实际）电弧功率与熔化速率之间的关系。同一条目标曲线可以用于所有不同的等离子体区域配置。引入一组修正因子，可以在相同的标称电弧功率设置下产生相同的熔化速率。图 5(b) 显示了与图 5(a) 相同的熔化速率数据，但 X 轴显示的是标称电弧功率。操作人员使用标称电弧功率来设置所需的功率。电弧校准的目标是将实际电弧功率投影到标称电弧功率。换句话说，我们可以使用电弧校准来找到这组修正因子。然后，我们将使用这组修正因子来创建一个新的标称电弧功率范围。在新范围内，无论玻璃纤维直径、电极状况、等离子体区域配置或环境条件如何，相同的电弧功率设置都会在光纤末端产生相同的温度（因此也产生相同的熔化速率）。修正因子的计算非常简单。目标曲线与实测熔化速率曲线之间的差异可用作校正因子集。
(a) 熔化速率与实际电弧功率
(b) 熔化速率与额定电弧功率的关系
2.3 电弧校准结果
(a1) 电弧校准后的 125 μm 光纤端面
(a2) 1 mm 电极间距熔接
(a3) 3 mm 电极间距熔接
(b1) 电弧校准后的 220 μm 光纤端面
(b2) 1 mm 电极间距熔接
(b3) 3 mm 电极间距熔接
(c1) 电弧校准后的 400 μm 光纤端面
(c2) 3 mm 电极间距熔接
这些光纤还采用了不同的等离子区配置进行熔接。所有上述光纤和等离子区均使用相同的功率设置，以获得相似的熔接结果。在 (c) 组中，由于较小的等离子区强度不足以熔接 400 微米光纤，因此没有 1 mm 电极间距的图像。
从图 6 所示的示例可以看出新的电弧校准方法的结果。利用上述电弧校准方法，可以在不同的等离子体区域，以相同的电弧功率设置熔接125微米、220微米和400微米的光纤。换言之，电弧校准操作人员可以轻松地针对不同类型的光纤和不同的等离子体（电极）条件获得理想的熔接结果。
对于任何新的或未知的光纤类型，工程师都可以使用相同的功率设置轻松调整切割和熔接参数，而无需费力地寻找合适的功率水平。
图6中电弧校准后的光纤端面图像也显示了有限的纤芯熔合和有限的光纤形状变形。
相比之下，图1(c)中的传统熔接方法则表现出明显更高的变形程度。这种新的熔接方法对电极尖端状态的影响非常有限，尤其对于大直径光纤而言，而大直径光纤在使用传统方法时容易出现电极状态恶化的情况。
如前文所述，传统的熔接和错接方法都需要多次光纤端面处理和切割，因为熔接或切割熔接工艺导致切割后的光纤端面不易获得。对于标准的125微米通信光纤而言，光纤端面处理可能并不繁琐，但对于大直径光纤而言，多次端面处理既耗时又费钱。本文介绍的新方法无需重新切割，因为电弧从极低功率开始，并在连续复弧过程中逐渐增加到所需功率。
3.0 摘要 本文
开发了一种新的电弧校准方法，用于熔接各种直径的光纤，可获得一致且精确的结果。该方法利用多个短电弧加热光纤，并测量光纤端角处的熔接率。光纤端角处的熔接率与光纤温度成正比。通过连续重复电弧来改变电弧功率，可以达到理想的熔接率。该理想熔接率即为光纤测试和熔接所需的电弧功率。如图 7 所示，该方法已在 Splice Master 熔接机上成功测试，适用于直径为 60 至 1000 微米的光纤，并具有可控的等离子区。该方法能够自动选择不同尺寸光纤所需的正确电弧功率。操作人员可以轻松地将优化的熔接参数传输到生产线上的多台熔接机，从而获得一致且高质量的熔接结果。
（a）FSM 100P 光纤熔接机，适用于直径达 500 μm 的光纤；
（b）FSM 100P+ 光纤熔接机，适用于直径达 1200 μm 的光纤。
4.0 致谢
作者（郑文鑫和Bryan Malinsky）感谢日本藤仓的N. Kawanishi及其团队对本研究的支持，以及D. Duke和S. Althoff对本文提出的建设性意见和修改建议。5.0
参考文献
[1] Dong, L., McKay, H., Marcinkevicius, A., A., Fu, L., Li, J., Thomas, B.K., and Fermann, M.E., “Extending Effective Area of Fundamental Mode in Optical Fibers,” J. Lightwave Technol. Vol. 27, pp. 1565–1570 (2009).
[2] Even, P., Pureur, D., “High power double-clad fiber lasers: a review,” Proc. SPIE – Int. Soc. Opt.
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[4] Duke, D., Zheng, W., Sugawara, H., Mizushima, T., 和 Yoshida, K.，“用于自适应熔接能力的等离子体区域控制”，SPIE 会议论文集，Photonic West (2012)。
[5] Zheng, W.，“单光纤熔接的自动电流选择”，美国专利 5,909,527，爱立信电缆公司，1999 年 6 月。
[6] Inoue, K., Sasaki, K., Suzuki, Y., Kawanishi, N., and Tsutsumi, Y., “光纤熔接方法及熔接机”, 美国专利 6,294,760, Fujikura, 2001 年 9 月。
[7] Takayanagi, H., and Hatori, K., “光纤熔接装置放电能量校准方法”, 美国专利 7,140,786, Sumitomo, 2006 年 11 月。
[8] Hatori, K., “加热量测定方法、熔接方法及熔接机”, 美国专利申请号 11/317899, Sumitomo, 2006 年 8 月。
