光纤切割质量研究分析

张济民+杨小光+李奔

【摘要】光纤切割质量是决定光纤熔接损耗的重要指标。本文应用断裂力学有关理论，对影响光纤切割质量的因素进行了分析，提出了提高光纤切割质量的方法，并在实际工作中进行了验证。

【关键词】切割质量；端面角；熔接损耗；断裂力学

Research and Analysis on Cut Quality of the Fiber

ZHANG Ji-minYANG Xiao-guangＬＩ Ben

(The 41st Research Institute of CETC National Key Lab of Electronic Measurement Technology, Qingdao Shandong 266000, China)

【Abstract】The cut quality of the fiber is the important index of splice loss.In this paper,the analysis of the influence factors of cut quality is presented by using fracture mechanics.The method for improving the cur quality is given and validated in real work.

【Key words】Cut Quality;Kerf angle;Splice Loss;Fracture Mechanics

0概述

近年来，光纤的应用范围越来越广，从通信主干线路的光缆施工建设、光纤宽带入户以及光纤传感器和光无源器件等等，光纤愈发凸显其在现代社会中的重要性。在光纤通信施工中，一般使用光纤切割器来制备光纤端面，用光纤熔接机来实现光纤永久性接续。同一熔接条件下，光纤切割器的设计制造精度越高，光纤端面的切割质量越好，光纤的熔接损耗越小。因此，在光纤通信施工中，光纤切割质量是至关重要的。本文主要讨论影响光纤切割质量的因素，提出改进切割质量的措施并进行验证。

1光纤切割质量的定义

光纤切割质量是指光纤经过专用工具切割制备后端面的表面质量状况，一般用端面角度来定量描述。光纤端面角是指切割后的光纤末端面与和光纤轴线垂直的面的夹角。若光纤端面角很小，光纤端面的平整性通常也会很好；若是端面角较大，毛刺和缺损就很容易出现，切割质量就会较差，不能满足光纤通信施工要求。

2光纤端面角对光纤熔接损耗的影响

光纤接续是光纤网络建设和维护中工程量大、技术要求最复杂的重要工序，其质量好坏直接影响光纤线路的传输质量和可靠性。衡量接续质量的最重要指标是熔接损耗，它是指光纤接续点产生的功率损失，公式如下：

Ｌ＝１０ｌｏｇ■（1）

式中L为熔接损耗，Pi是输入功率，Po是经过接续点的输出功率。

在同一条件下，光纤端面角直接决定着光纤熔接损耗的大小。两者之间对应关系的公式如下：

Ｌ＝１．３×１０－２（ｎ２ｗ?准／γ）2（2）

式中，L为熔接损耗，ｎ２为折射率，?准为轴线弯曲角度，γ为传输波长。当光纤端面切割倾斜角达1°时，光纤熔接损耗的理论值达0.21dB。

3影响光纤端面角的因素

3.1与光纤端面角有关的理论

光纤是用石英玻璃拉制而成，光纤的切割及端面的形成，属于脆性固体断裂问题。

在断裂力学中，裂纹位移有三种基本类型：张开型（Ⅰ型）、滑开型（Ⅱ型）和撕开型（Ⅲ型），如图1所示。在三种类型中，张开型与固体裂纹的扩展关系最大，也是和光纤端面切割有直接关系。

图1断裂的三种基本类型

根据格里菲斯的能量平衡理论可知，裂纹总是沿着机械能释放率G的极大值方向扩展。而在Ⅰ型裂纹中，裂纹自身所在平面即是G的极大值方向，因此Ⅰ型裂纹总是沿着自身所在平面扩展，具有“方向的稳定性”。研究表明，对于一个光导纤维即玻璃圆柱体而言，沿着与圆柱体轴垂直的方向在其表面人为地刻划出横向裂纹，再沿着轴向均匀地施加足够大的纯Ⅰ型张应力，可以期望光纤在刻划处断裂从而得到一个良好、唯一和稳定的断裂端面。

3.2影响光纤端面角的因素分析

3.2.1刻划裂纹的方向

从前述内容看，在光纤玻璃圆柱体表面刻划裂纹时要沿着与圆柱体轴线垂直的方向，但是实际当中，由于机械零件的制造误差和装配误差，不能达到绝对垂直，将会对端面角产生一定的影响。

图2脆性固体断裂事例

图2中所示的是承受均匀拉应力作用的脆性环氧树脂平板中的裂纹扩展路径，箭头所示为预先存在的裂缝SS'上的各个载荷分量。在裂纹刚刚开始扩展时，Ⅰ型载荷和Ⅱ型载荷是相当的；而随着裂纹的进一步扩展，Ⅰ型载荷就远远大于Ⅱ型载荷了。其中的剪应力起到了一种“修正”的作用，使偏转的裂纹回到与外加最大主拉伸应力相垂直的一个稳定平面上来。

图中裂缝与外加拉应力方向的夹角约为50°，而商用光纤切割刀的制造精密度很高，刀刃划刻光纤的方向与光纤轴线的夹角极小，可以推理出：刻划裂纹方向的偏差对光纤端面角的影响是比较小的。

3.2.2切割深度

合适的裂纹对于裂纹扩展路径是一个重要因素，在实际情况中，光纤切割深度如何影响端面角，这方面鲜有论文进行论述。本项目组自制了一种调试工具，做了一些定性试验，以研究切割深度对光纤端面角的影响。

如图3所示，刀高调试工具由百分表、底座、测量头和固定螺钉组成。百分表的测量精度0.01mm，其他零件的若干关键尺寸偏差都控制在微米量级。使用时把底座放置在刀片两侧橡胶板上，测量头下端的方形通槽与刀刃两侧面接触，百分表用于测量刀刃圆与光纤截面在半径方向的重合量，即光纤切深。

在若干台光纤切割刀上用包层直径125um的石英光纤做试验，通过调整刀刃高度，使百分表的指针从0开始增加。在此过程中发现，当百分表示数小于0.03mm和大于0.08mm时，使用具备端面角度判断功能的光纤熔接机进行判断，光纤端面角都大于1°。而当百分表的示数在0.04mm和0.06mm之间时，端面角度判断小于0.5°。由此可推断出，若要获得良好的光纤端面角，需要将光纤的切割深度控制在一定范围内。

图3刀高调试工具

3.2.3切口角度

在实际情况中，由于机械零部件的各种尺寸误差累积，很容易造成刀刃面与光纤轴线产生夹角。这种情况会对光纤端面角造成一定的影响。

图4切口角度假想事例示意图

如图4所示，由于夹持光纤两端的零件由于制造误差导致光纤不再处于水平状态，而是左右有一高度差h，使得这段光纤的跨中位置的假想端面（与光纤轴线垂直）与铅垂面有一夹角β；刀刃面由于安装刀片的零件的制造误差，与铅垂面有一夹角?棕。此时，刀刃在切割光纤时使得切口有一定角度的倾斜，而这一角度与端面角成互余关系。假设裂纹沿着自身所在平面扩展，最后形成的端面角正好是β+?棕。

假设刀刃面在两个相距l=0.008mm的铅垂面之间且在最大倾斜位置，刀刃圆直径D=20mm，光纤两端水平距离Ｌ＝11.3mm，高度差h=0.018mm则可以得到：

α=β+?棕=arcsin■+arctan■=arcsin■+arctan■≈0.0114°

从上式知，端面角理论值已经达到了0.1°。有试验证明随着切口深度的增加，切口角度对裂纹扩展方向的影响增加。所以可类比推断出由机械零件制造误差造成的光纤端面倾斜是需要得到足够的重视。

4提高光纤切割质量的方法

4.1控制刀片划刻光纤的运动

从切口角度方面可以看出来，刀片划刻光纤的运动方式对裂纹扩展后形成的端面角有着一定的影响，而这在很大程度上是由机械零件加工精度和装配精度造成的，所以应采取一些措施，减小不良影响：

（1）提高光纤切割刀的关键定位面、安装面的平行度以及关键零部件的尺寸精度，使刀刃运动方向与光纤轴线的夹角，以及刀刃面与光纤轴线的夹角保持在一定范围内，尽量减小刻划裂纹的方向与切口角度对光纤端面角的不利影响。

（2）选用精密度高的直线导轨，提高刀片运动时的平稳性能，以避免在切割光纤时出现刀片振动而导致端面角增大甚至端面异常而不能使用。

4.2合理控制切割深度

如前所述，无论在理论上还是在实际情况中，光纤切割深度对于端面角都是一个重要因素，这就需要将刀刃高度控制在一个合理的范围内。本文作者用定性实验推断出这个结论，也在考虑以后对光纤切割深度进行准确测量，来了解切割深度对光纤端面角的影响的具体情形。同时也在考虑设计制造更加精确的刀高调试工具，用来提高光纤切割质量，降低光纤端面角。

4.3控制裂纹受力方向

从理论上讲，要获得良好的断裂端面，需要向裂纹施加纯Ⅰ型张应力。但在实际中，用来切割包层直径为125um的光纤切割刀，一般采用四点或三点加载的方式使光纤断裂。如图所示，刀片两端采用橡胶压板将光纤压紧，待刀刃在光纤下方刻划之后，光纤上方有一个带有方形通槽或实心的零件自动落下至裂纹正上方将其掰断。这样做的原因是，当在裂纹自身所在平面，处于裂纹前方，向裂纹尖端施加足够大的载荷时，会在裂纹两侧产生拉应力。

图5光纤切断示意图

如图5，当裂纹自身所在平面与砧板左右对称面重合时，裂纹两侧所受拉应力σ大小相等、方向相反，属于纯Ⅰ型张应力，裂纹沿着自身所在平面扩展从而形成良好端面。如果砧板位置较偏或左右倾斜，就会导致裂纹平面两侧拉应力的方向发生变化、大小失衡，造成端面角异常。因此，当用此种方式切断光纤时，最大程度地减小裂纹自身所在平面和砧板左右对称面的距离，对降低端面角有重要作用。

5实例分析

为了验证前面叙述的提高光纤切割质量的方法是否有效，作者选用中国电科集团第四十一研究所生产的AV33012型光纤切割器做了相关实验。该切割刀采用高强度铝合金制造，关键定位面、安装面的平行度以及关键零件部尺寸精度均控制在微米级，将刻划光纤的方向与切口角度对端面角的不利影响降到最低程度；同时选用进口高精密直线导轨，运动时的跳动量控制在3微米以下，最大程度地保证刀片划刻光纤运动的平稳性。

笔者借助影像测量仪，将刀刃面与砧板对称面的距离调整到0.1mm左右；并借助刀高调试工具，将刀刃高度调整到百分表示数的0.04mm与0.06mm之间。然后制备了几个光纤端面，用具有端面角度判断的光纤熔接机进行判读，均小于0.5°，又使用影像测量仪进行测量，测量结果和光纤熔接机的判读差别很小。试验证明，本文中提出的提高光纤切割质量的方法是有效的。

6结论

本文对光纤切割质量的定义进行了阐述，采用光纤端面角对光纤切割质量进行定量描述。论述了光纤端面角与光纤熔接损耗的对应影响。简要叙述了与光纤端面角有关的断裂力学问题，分析了影响光纤端面角的因素，提出了提高光纤切割质量的方法，并进行了实验验证。

【参考文献】

［１］牛文学，梁艺军，等.光纤端面检测方法的实验研究[J]．应用科技，2002，29(3)：19-22．

［２］赵新彦.光纤端面参数自动化测量系统的研究[J].光学仪器，2009(4)：1-6．

［３］赵伟杰.机器视觉在光纤端面缺陷检测中的应用[J].现代电子技术，2011(19)：136-139．

［责任编辑：刘帅]

4提高光纤切割质量的方法

4.1控制刀片划刻光纤的运动

从切口角度方面可以看出来，刀片划刻光纤的运动方式对裂纹扩展后形成的端面角有着一定的影响，而这在很大程度上是由机械零件加工精度和装配精度造成的，所以应采取一些措施，减小不良影响：

（1）提高光纤切割刀的关键定位面、安装面的平行度以及关键零部件的尺寸精度，使刀刃运动方向与光纤轴线的夹角，以及刀刃面与光纤轴线的夹角保持在一定范围内，尽量减小刻划裂纹的方向与切口角度对光纤端面角的不利影响。

（2）选用精密度高的直线导轨，提高刀片运动时的平稳性能，以避免在切割光纤时出现刀片振动而导致端面角增大甚至端面异常而不能使用。

4.2合理控制切割深度

如前所述，无论在理论上还是在实际情况中，光纤切割深度对于端面角都是一个重要因素，这就需要将刀刃高度控制在一个合理的范围内。本文作者用定性实验推断出这个结论，也在考虑以后对光纤切割深度进行准确测量，来了解切割深度对光纤端面角的影响的具体情形。同时也在考虑设计制造更加精确的刀高调试工具，用来提高光纤切割质量，降低光纤端面角。

4.3控制裂纹受力方向

从理论上讲，要获得良好的断裂端面，需要向裂纹施加纯Ⅰ型张应力。但在实际中，用来切割包层直径为125um的光纤切割刀，一般采用四点或三点加载的方式使光纤断裂。如图所示，刀片两端采用橡胶压板将光纤压紧，待刀刃在光纤下方刻划之后，光纤上方有一个带有方形通槽或实心的零件自动落下至裂纹正上方将其掰断。这样做的原因是，当在裂纹自身所在平面，处于裂纹前方，向裂纹尖端施加足够大的载荷时，会在裂纹两侧产生拉应力。

图5光纤切断示意图

如图5，当裂纹自身所在平面与砧板左右对称面重合时，裂纹两侧所受拉应力σ大小相等、方向相反，属于纯Ⅰ型张应力，裂纹沿着自身所在平面扩展从而形成良好端面。如果砧板位置较偏或左右倾斜，就会导致裂纹平面两侧拉应力的方向发生变化、大小失衡，造成端面角异常。因此，当用此种方式切断光纤时，最大程度地减小裂纹自身所在平面和砧板左右对称面的距离，对降低端面角有重要作用。

5实例分析

为了验证前面叙述的提高光纤切割质量的方法是否有效，作者选用中国电科集团第四十一研究所生产的AV33012型光纤切割器做了相关实验。该切割刀采用高强度铝合金制造，关键定位面、安装面的平行度以及关键零件部尺寸精度均控制在微米级，将刻划光纤的方向与切口角度对端面角的不利影响降到最低程度；同时选用进口高精密直线导轨，运动时的跳动量控制在3微米以下，最大程度地保证刀片划刻光纤运动的平稳性。

笔者借助影像测量仪，将刀刃面与砧板对称面的距离调整到0.1mm左右；并借助刀高调试工具，将刀刃高度调整到百分表示数的0.04mm与0.06mm之间。然后制备了几个光纤端面，用具有端面角度判断的光纤熔接机进行判读，均小于0.5°，又使用影像测量仪进行测量，测量结果和光纤熔接机的判读差别很小。试验证明，本文中提出的提高光纤切割质量的方法是有效的。

6结论

本文对光纤切割质量的定义进行了阐述，采用光纤端面角对光纤切割质量进行定量描述。论述了光纤端面角与光纤熔接损耗的对应影响。简要叙述了与光纤端面角有关的断裂力学问题，分析了影响光纤端面角的因素，提出了提高光纤切割质量的方法，并进行了实验验证。

【参考文献】

［１］牛文学，梁艺军，等.光纤端面检测方法的实验研究[J]．应用科技，2002，29(3)：19-22．

［２］赵新彦.光纤端面参数自动化测量系统的研究[J].光学仪器，2009(4)：1-6．

［３］赵伟杰.机器视觉在光纤端面缺陷检测中的应用[J].现代电子技术，2011(19)：136-139．

［责任编辑：刘帅]

4提高光纤切割质量的方法

4.1控制刀片划刻光纤的运动

从切口角度方面可以看出来，刀片划刻光纤的运动方式对裂纹扩展后形成的端面角有着一定的影响，而这在很大程度上是由机械零件加工精度和装配精度造成的，所以应采取一些措施，减小不良影响：

（1）提高光纤切割刀的关键定位面、安装面的平行度以及关键零部件的尺寸精度，使刀刃运动方向与光纤轴线的夹角，以及刀刃面与光纤轴线的夹角保持在一定范围内，尽量减小刻划裂纹的方向与切口角度对光纤端面角的不利影响。

（2）选用精密度高的直线导轨，提高刀片运动时的平稳性能，以避免在切割光纤时出现刀片振动而导致端面角增大甚至端面异常而不能使用。

4.2合理控制切割深度

如前所述，无论在理论上还是在实际情况中，光纤切割深度对于端面角都是一个重要因素，这就需要将刀刃高度控制在一个合理的范围内。本文作者用定性实验推断出这个结论，也在考虑以后对光纤切割深度进行准确测量，来了解切割深度对光纤端面角的影响的具体情形。同时也在考虑设计制造更加精确的刀高调试工具，用来提高光纤切割质量，降低光纤端面角。

4.3控制裂纹受力方向

从理论上讲，要获得良好的断裂端面，需要向裂纹施加纯Ⅰ型张应力。但在实际中，用来切割包层直径为125um的光纤切割刀，一般采用四点或三点加载的方式使光纤断裂。如图所示，刀片两端采用橡胶压板将光纤压紧，待刀刃在光纤下方刻划之后，光纤上方有一个带有方形通槽或实心的零件自动落下至裂纹正上方将其掰断。这样做的原因是，当在裂纹自身所在平面，处于裂纹前方，向裂纹尖端施加足够大的载荷时，会在裂纹两侧产生拉应力。

图5光纤切断示意图

如图5，当裂纹自身所在平面与砧板左右对称面重合时，裂纹两侧所受拉应力σ大小相等、方向相反，属于纯Ⅰ型张应力，裂纹沿着自身所在平面扩展从而形成良好端面。如果砧板位置较偏或左右倾斜，就会导致裂纹平面两侧拉应力的方向发生变化、大小失衡，造成端面角异常。因此，当用此种方式切断光纤时，最大程度地减小裂纹自身所在平面和砧板左右对称面的距离，对降低端面角有重要作用。

5实例分析

为了验证前面叙述的提高光纤切割质量的方法是否有效，作者选用中国电科集团第四十一研究所生产的AV33012型光纤切割器做了相关实验。该切割刀采用高强度铝合金制造，关键定位面、安装面的平行度以及关键零件部尺寸精度均控制在微米级，将刻划光纤的方向与切口角度对端面角的不利影响降到最低程度；同时选用进口高精密直线导轨，运动时的跳动量控制在3微米以下，最大程度地保证刀片划刻光纤运动的平稳性。

笔者借助影像测量仪，将刀刃面与砧板对称面的距离调整到0.1mm左右；并借助刀高调试工具，将刀刃高度调整到百分表示数的0.04mm与0.06mm之间。然后制备了几个光纤端面，用具有端面角度判断的光纤熔接机进行判读，均小于0.5°，又使用影像测量仪进行测量，测量结果和光纤熔接机的判读差别很小。试验证明，本文中提出的提高光纤切割质量的方法是有效的。

6结论

本文对光纤切割质量的定义进行了阐述，采用光纤端面角对光纤切割质量进行定量描述。论述了光纤端面角与光纤熔接损耗的对应影响。简要叙述了与光纤端面角有关的断裂力学问题，分析了影响光纤端面角的因素，提出了提高光纤切割质量的方法，并进行了实验验证。

【参考文献】

［１］牛文学，梁艺军，等.光纤端面检测方法的实验研究[J]．应用科技，2002，29(3)：19-22．

［２］赵新彦.光纤端面参数自动化测量系统的研究[J].光学仪器，2009(4)：1-6．

［３］赵伟杰.机器视觉在光纤端面缺陷检测中的应用[J].现代电子技术，2011(19)：136-139．

［责任编辑：刘帅]