提高光纖端面處理與熔接質(zhì)量的技術(shù)探討

田國棟

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，西安 710014）

光纖接續(xù)技術(shù)是光纖應(yīng)用領(lǐng)域中最廣泛、最基本的一項專門技術(shù)。無論是從事光纖通信研究、光纖和光纜生產(chǎn)還是光纜工程施工、日常維護都離不開光纖接續(xù)。接續(xù)光纖的方法主要分永久性的固定接續(xù)法和可拆卸的連接器連接法以及臨時性光纖接續(xù)3大類，其中固定接續(xù)法以熔接法為主。提高光纖熔接質(zhì)量主要有光纖端面處理技術(shù)、光纖熔接技術(shù)和光纖熔接損耗的測量技術(shù)。

1 光纖端面處理技術(shù)

光纖端面處理也稱為端面制備或末端處理，技術(shù)工序主要包括光纖涂覆層的開剝和光纖切割兩個環(huán)節(jié)。端面質(zhì)量直接影響光纖激光器的泵浦光耦合效率和激光輸出功率。通信光纖是圓柱形介質(zhì)波導(dǎo)由纖芯、包層和涂敷層3部分組成，單模光纖的纖芯直徑僅為4μm～10μm，包層直徑為125 μm。經(jīng)過處理的光纖端面必須是光滑平整的表面，否則會增大損耗。

1.1 光纖涂覆層的開剝技術(shù)

光纖涂覆層的開剝方法，要求操作方便，光纖表面不帶傷痕，以保障強度不下降。目前多使用光纖剝線鉗進行開剝，開剝光纖時左手拇指和食指捏緊光纖，所露長度為60mm～70mm，余纖在無名指和小拇指之間自然打彎以增加力度，剝線鉗應(yīng)與光纖垂直，上方向內(nèi)傾斜45°，然后用鉗口輕輕卡住光纖，右手隨之用力，順光纖軸向平推出去，整個過程如行云流水要自然流暢，一次成功。開剝的單模光纖長度為35mm～50mm， 用藥棉或無塵試紙沾上無水酒精將光纖擦拭干凈，露出白色透明的光纖包層。

1.2 光纖切割技術(shù)

切割光纖時，注意不要造成容易產(chǎn)生接續(xù)損耗的不完整性端面（端面傾斜、彎曲、粗糙）。可以利用玻璃的特性來切斷光纖，切割玻璃時使其表面產(chǎn)生傷痕然后施加張力，通常就可以獲得平滑的切口，這是因為玻璃具有脆性，切割光纖時就是利用這種特性?，F(xiàn)在使用的電動超聲波光纖切割機，就是采用刀片劃出痕跡后再給光纖施加拉伸應(yīng)力使其斷裂，所以能切出理想的光纖端面。光纖端面的傾斜角度對光纖接續(xù)損耗影響很大。由傾斜角起的損耗α為： α=1.3×10-2(n2ωφ/λ)2(dB)。 式中：n2為包層折射率、 Φ為因角度偏離引起熔接后軸心彎曲角度、λ為波長[2]。實踐證明使用各種不同的切割刀，得到的光纖端面傾斜角度不同。端面傾斜角度超過1°，熔接后的接續(xù)損耗會達(dá)到0.5 dB。使用高檔光纖切割機可以使端面傾斜角在0.5°以下，因此損耗可以忽略不計。表面的清潔和切割的時間應(yīng)緊湊，已制備好的光纖端面不要放在工作臺上。移動光纖時要輕拿輕放，防止與其它物件擦碰以免損壞光纖端面。

2 光纖熔接技術(shù)

2.1 精心選擇光纖熔接機

光纖熔接機按技術(shù)發(fā)展水平分為5代機型，其中第3代微機控制的芯軸直視式熔接機和第3代自動熔接機是目前市場上的主力機型。為了減小光纖熔接損耗，第4代自動熔接機為首選機型。第4代自動熔接機特點是：

（1）可以對光纖進行自動對準(zhǔn)、熔接和連接損耗檢測。

（2）具有熱接頭圖像處理系統(tǒng)。

（3）對熔接的全過程進行自動監(jiān)測，攝取熔接過程中的熱圖像加以分析，判斷光纖纖芯的變形、移位、雜質(zhì)和氣泡等與連接損耗有關(guān)的信息。因此能更全面、準(zhǔn)確地估算出接頭損耗。

2.2 精心設(shè)計光纖熔接程序

第4代自動光纖熔接機啟動后首先選擇熔接程式，如果是進口自動光纖熔接機還要進行語言選擇。放置光纖是一個極為細(xì)致的工作，要保持周圍環(huán)境清潔，工作人員應(yīng)身著工作服，兩手要保持干凈。輕輕打開防壓蓋及光纖夾具，小心翼翼將光纖由上而下放置于光纖夾具及V型溝槽中，并露出2mm～3mm查看光纖端面是否接近于電極棒處，切勿超過兩個電極棒之中線。精心設(shè)計光纖熔接程序如圖1，將光纖放置在第4代自動熔接機后，按下START鍵開始熔接，首先將左右兩側(cè)V型槽中光纖相向推進，在推進過程中會產(chǎn)生一次短暫放電，其作用是清潔光纖端面灰塵，接著會把光纖繼續(xù)推進，直至光纖間隙處在原先所設(shè)置的位置上，這時熔接機測量切割角度，并把光纖端面附近的放大圖像顯示在屏幕上，熔接機會在X軸Y軸方向上同時進行對準(zhǔn)，并且把軸向、軸心偏差參數(shù)顯示在屏幕上，如果誤差在允許范圍之內(nèi)就開始熔接。并在顯示屏上顯示熔接時間、熔接次數(shù)和熔接效果[5]。

圖1 光纖熔接程序

通過屏幕觀察熔接結(jié)果,熔接完成后機器會自動評估，并顯示當(dāng)前熔接損耗，由于是估計值，若顯示在0.08 dB以上就必須重新制端面。在施工過程中可采用OTDR跟蹤監(jiān)測結(jié)果，及時分析產(chǎn)生不良現(xiàn)象的原因，采取相應(yīng)的改進措施。

2.3 精心保護光纖接頭部位

首先進行熔接處的強度篩選試驗,要想熔接部分長時間不斷裂，就應(yīng)保證熔接點有一定耐機械強度的能力，甩掉低強度的接頭,這個方法就是在熔接后對光纖施加一定的張力試驗。張力試驗要在熔接機上進行，進口和國產(chǎn)熔接機的張力選擇值為200 g。張力試驗不合格的熔接點光纖會被拉斷,要切斷光纖重新接續(xù)。張力試驗合格的熔接點光纖不斷裂，對接頭進行補強國內(nèi)外普遍采用光纖熱縮保護管（熱縮管）保護光纖接頭部位。熱縮管應(yīng)在光纖開剝前穿入，嚴(yán)禁在端面制備后穿入。將預(yù)先穿置光纖某一端的熱縮管移至光纖接頭處，使熔接點恰好位于熱縮管中間，輕輕拉直光纖接頭，放入加熱器內(nèi)加熱30 s，聚乙烯管收縮后緊套在接續(xù)好的光纖上，熱縮管內(nèi)的不銹鋼棒，不僅增加了抗拉強度（承受拉力為1 000 g～2 300 g），同時也避免了因聚乙烯管的收縮而可能引起接續(xù)部位的微彎曲[3]。

3 光纖熔接損耗的測量技術(shù)

自動光纖熔接機顯示的接續(xù)損耗可能與真實損耗有值差別，使用光時域反射儀（OTDR）對熔接頭的損耗進行測量可以獲得光纖接頭的準(zhǔn)確損耗值。

3.1 OTDR的工作原理

OTDR的入射光脈沖在線路中傳輸時會在沿途產(chǎn)生瑞利散射光和菲涅爾反射光,其中與光脈沖傳播方向相反的背向瑞利散射光將會沿著光纖傳輸?shù)骄€路的進光端口，經(jīng)定向耦合分路射向光電探測器，轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)過低噪聲放大和數(shù)字平均化，最后將處理過的電信號與從光源背面發(fā)射提取的觸發(fā)信號同步掃描在示波器上成為反射光脈沖。在光時域反射儀的顯示屏上可以很清楚地看到入射光脈沖、反射光脈沖、接頭點、斷裂點、故障點以及衰減分布曲線。

3.2 OTDR的參數(shù)選擇

OTDR的參數(shù)選擇包括：測試波長選擇、光纖折射率選擇、測試脈沖寬度選擇、測試量程選擇、平均化時間選擇。選擇測試波長，單模光纖只選擇1310nm或l550nm。由于l550nm波長對光纖彎曲損耗的影響比1310nm波長敏感得多，一般多選用1 550 nm波長。光纖折射率選擇在實際測試時若用1 310 nm波長，折射率一般選擇在1.4680；若用l550nm波長，折射率一般選擇在1.4685。測試脈沖寬度選擇設(shè)置的光脈沖寬度過大會產(chǎn)生較強的菲涅爾反射，會使盲區(qū)加大。較窄的測試光脈沖雖然有較小的盲區(qū)，但是測試光脈沖過窄時光功率肯定過弱，相應(yīng)的背向散射信號也弱，背向散射信號曲線會起伏不平，測試誤差大。測試量程選擇OTDR的量程是指OTDR的橫坐標(biāo)能達(dá)到的最大距離。測試時應(yīng)根據(jù)被測光纖的長度選擇量程，量程是被測光纖長度的1.5倍比較好。平均化時間選擇一般來說平均化時間越長，測試精度越高。為了提高測試速度，縮短整體測試時間，測試時間可在0.5 min～3 min內(nèi)選擇[1]。

3.3 OTDR的監(jiān)測技術(shù)

加強OTDR的監(jiān)測工作，確保光纖熔接質(zhì)量。在整個接續(xù)工作中OTDR要進行4次監(jiān)測：

（1）光纖熔接過程中對每一根光纖進行實時跟蹤監(jiān)測，檢查每個熔接點的質(zhì)量，及時發(fā)現(xiàn)達(dá)不到質(zhì)量要求的熔接點并重新進行熔接。

（2）每完成一根光纖接續(xù)后，應(yīng)把光纖余長盤留在盤留板槽道內(nèi)，要求光纖有不小于10 cm的活動伸縮量，每次盤纖后，對所盤光纖進行監(jiān)測以確定盤纖帶來的附加損耗忽略不計。

（3）光纜接頭盒封裝前對整盤光纜中的所有光纖進行監(jiān)測，以查明確實無漏測和對光纖及接頭無擠壓。

（4）光纜接頭盒封裝后再對所有光纖進行最后檢測，確實保證封裝對光纖不產(chǎn)生附加損耗。OTDR的監(jiān)測工作要從兩個方向測量，并求出這兩個結(jié)果的平均值，這樣就可以消除單向測量的誤差[4]。

4 結(jié)束語

保持光纖端面制作水平、提高光纖熔接質(zhì)量的目的是盡量減小光纖接頭損耗。在高等級光纜線路施工中，光纖熔接質(zhì)量的內(nèi)控指標(biāo)要高于設(shè)計指標(biāo)。光纖接頭損耗在0.02 dB及以下為優(yōu)，光纖接頭損耗在0.05 dB及以下為良，光纖接頭損耗在0.05 dB以上為差，包括熔接失敗、斷纖等。幾年來，為了提高高職院校學(xué)生的光纖熔接技能，主要從光纖端面處理技術(shù)、光纖熔接技術(shù)和光纖熔接損耗的測量技術(shù)3個方面進行專項訓(xùn)練。通過不斷進行提高光纖端面處理與熔接質(zhì)量的技術(shù)探討以及數(shù)千次的光纖熔接訓(xùn)練和OTDR現(xiàn)場測試工作,可以將光纖熔接優(yōu)良率達(dá)到94%以上。

[1]李立高. 光纖通信工程[M]. 北京：人民郵電出版社，2004：68.

[2]張克宇，等. 通信光纜線路維護與施工[M].北京：中國鐵道出版社，2001：95.

[3]胡 慶，張德民，劉世春. 通信光纜與電纜工程[M]. 北京：人民郵電出版社，2005：124.

[4]劉世春. 通信線路維護實用手冊[M]．北京：人民郵電出版社，2007：144.

[5]田國棟. 光纖通信技術(shù)[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008：160-161.