光纤端面角对熔接损耗影响的研究

2014-12-23张济民杨小光

科技视界 2014年14期

张济民杨小光张伟

（中国电子科技集团公司第四十一研究所电子测试技术国家重点实验室，山东青岛266000）

0 概述

近年来，光纤通信发展迅速，由于其具有容量大、成本低和保密性好等诸多优点，已广泛应用在军事、互联网、金融、交通、环保、监控、医疗、文化及航天等各个领域。所有光纤通信工程的建设和维护，都是通过光纤熔接机等设备将一根根的光纤连接在一起，形成了巨大的光纤通信网络。熔接损耗是评价光纤熔接质量好坏的一个重要参数，它直接决定着光纤通信网络的质量。实际操作中，影响熔接损耗的因素较多，本文主要论述光纤端面角和熔接损耗之间的关系，并对因光纤端面角度因素导致熔接损耗增大的问题提出了解决办法。因此对减小熔接损耗、提高光纤熔接质量有着重要意义。

1 光纤熔接损耗

1.1 熔接损耗定义

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接续损耗，它是指光纤接续点产生的功率损失，公式如下：

式中：L 为接续损耗，Pi是输入功率，Po是经过接续点的输出功率。对于使用熔接机进行光纤热熔接续来说，L 即为熔接损耗。决定熔接损耗的因素分为两类：本征因素和非本征因素，分别进行分析。

1.2 本征因素

影响光纤熔接的本征因素是指光纤自身的因素，包括模场直径偏差、模场同心度误差、纤芯截面不圆等，其中，光纤模场直径偏差影响最大，估算公式如下：

式中：Lα是估计损耗值，ω1和ω2是左、右两条待熔接的光纤的模场直径。以光纤网络建设中应用最多的单模光纤为例进行分析，单模光纤国际标准ITU-T G.652 中规定的模场直径的范围是8.6μm～9.5μm，假设待接续的两条单模光纤的模场直径分别为8.6μm 和9.5μm，带入公式2 得到的熔接损耗约为0.043dB。

此外，标准的多模光纤、非零色散位移光纤、色散位移光纤的模场直径都允许一定的变化范围，当进行不同厂家光纤熔接时，由于模场失配造成的损耗影响还是很大的。

1.3 非本征因素

影响光纤熔接损耗的非本征因素主要是熔接技术，包括以下几个方面：

端面角：使用切割刀制备光纤端面时，光纤端面存在的倾角。熔接机屏幕上，光纤端面图像的边界线与屏幕中垂直直线的夹角即为光纤端面角。

轴心错位：单模光纤纤芯很细，2 根对接光纤轴心错位会影响熔接损耗。

端面分离：待熔接的两条光纤端面间距过大，张力测试时可发现。

光纤倾斜：一般由于接续设备对准机构出现故障或操作不当造成的，待接续的两条光纤轴心不在同一条水平线上。

接续点附近的光纤物理变形：光缆在架设过程中的拉伸变形，接续盒中夹固光缆的压力太大等，都会对熔接损耗产生影响。

图1 非本征因素示意图

1.4 降低熔接损耗途径

降低光纤接头处的熔接损耗，可以增加光纤中继放大传输距离或增加光缆富余度。因此，降低光纤的熔接损耗具有重要意义。从本征因素方面考虑，在光纤网络建设中，优先考虑使用同一品牌和型号的光纤。从非本征因素方面考虑，轴心错位、端面分离、光纤倾斜和光纤物理变形可通过规范操作避免，端面角是客观存在的，优质切割刀的平均端面角≤0.8°，因此，端面角是决定熔接损耗的重要因素，下文将从理论和实验两个方面介绍熔接损耗和端面角之间的关系。

2 熔接损耗与端面角的关系

2.1 测试系统和数据

在熔接损耗测试中，通常采用剪断法。光纤熔接损耗的测试原理与光纤衰减特性的检测原理类似，在不改变注入光的条件下通过功率计测量出经过某一定长度（大于2km）光纤后的功率值P1（λ），然后在整段光纤的约中间部分截断，再用熔接机将截断的光纤接续起来，待功率稳定后，读取功率计值P2（λ），通过公式（1）可计算出该熔接点的损耗值。具体测试方法见下图所示测试系统。

图2 损耗测试系统示意图

端面角与熔接损耗之间的关系非常复杂，目前没有准确的公式可供参考。本文通过实验数据分析找出二者之间的关系，前提是必须统一实验条件，排除接续设备、测试仪器、环境、光纤本身因素的影响。本实验中使用的设备是中国电科第41 所AV6472 光纤熔接机和AV33012 光纤切割刀，测试仪器采用的是安捷伦公司的8163B 光源、功率计系统，分辨率高达0.001dB，光纤采用符合ITU-T G.652 标准的单模光纤，温度20～25℃，湿度45～55%RH，标准大气压。

由于光纤端面角难以预先确定，进行多次测试并记录左、右光纤平均端面角和熔接损耗的对应关系，详细数据见表1。

表1 端面角和熔接损耗对应关系

2.2 曲线拟合原理

为了从这些数据中找到其内在的规律性，即求得自变量和因变量之间吻合程度比较好的函数关系式，通常采用曲线拟合的方法，其原理有最小二乘法、契比雪夫法等，且以最小二乘法最为常见，原理如下：

设有实验数据（xi,yi）,i=1,2,…,n，寻找函数f(a,x)使得函数在点xi处的函数值与观测数据偏差的平方和达到最小。即使得

式中，a 是待定的参数。

2.3 Matlab 实现

matlab 是一款功能强大的科学计算软件，本文直接使用内部ployfit 函数实现曲线拟合，分别采用2 阶和3 阶拟合，程序如下：

x=[0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1];

y=[0.005 0.008 0.015 0.020 0.013 0.021 0.029 0.056 0.062 0.136];

[p2,s2] =polyfit(x,y,2)

[p3 ,s3]=polyfit(x,y,3)

y2=polyval(p2,x);

y3=polyval(p3,x);

figure(1)

plot(x,y,'ko',x,y2,'k',x,y3,'-.k');

legend(' 原始数据','2 阶曲线','3 阶曲线')

p2 和p3 分别是2 阶和3 阶多项式的系数，s2 和s3 是均方误差，y2 和y3 是多项式值，运行程序后得到的曲线如图3 所示。 s2=0.0388，s3=0.0224，因此3 阶多项式曲线吻合程度更好，最终的拟合曲线如公式4 所示：

图3 matlab 拟合曲线

3 改进措施

两端光纤通过轴向推进，从而靠近连接在一起。该过程需要对光纤端面不平整或一些微小的缺陷进行补偿。如果两端光纤有比较大的切割角度，而需要连接，看起来在端面间就有一个角度。如图4 所示。由于存在切割角度αCl，当两端光纤推进到一起时就会发现，连接处产生数量为Vm的中间玻璃体缺失。

图4 切割角度导致中间玻璃体缺失

在熔接过程中该缺失部分会引起玻璃体流动。这样的流动又会影响到光纤纤芯，并导致其弯曲，最终引起熔接损耗增大。那么减少该影响的办法就是增加光纤的推进，来补偿中间玻璃体缺失。采用的改进措施具体如下：首先测量切割角度αC1（用于推导参考值），然后通过CPU 控制轴向电机，增加光纤的推进量，到达最优化的熔接损耗。假定光纤直径为d，额外轴向推进为Δzaf,对于中间玻璃体缺失部分的计算如下：

由此可以得出，要补偿该缺失额外推进量大约为：

4 改进后验证

采取改进推进量的方法后，平均端面角≤1.0°时光纤的熔接损耗控制在0.04dB 以下，具体测试数据见下表2 所示。在高标准光缆线路施工中，光纤熔接质量的内控指标要高于设计指标。光纤接头损耗在0.02dB 及以下为优，光纤接头损耗在0.05dB 及以下为良，光纤接头损耗在0.05dB 到0.08dB 之间为合格。通过改进熔接方法，对于光纤端面角度在1.0°以下的光纤熔接，熔接损耗可完全满足干线等高等级光缆线路施工要求。