光纖切割質量研究分析

張濟民+楊小光+李奔

【摘要】光纖切割質量是決定光纖熔接損耗的重要指標。本文應用斷裂力學有關理論，對影響光纖切割質量的因素進行了分析，提出了提高光纖切割質量的方法，并在實際工作中進行了驗證。

【關鍵詞】切割質量；端面角；熔接損耗；斷裂力學

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

近年來，光纖的應用范圍越來越廣，從通信主干線路的光纜施工建設、光纖寬帶入戶以及光纖傳感器和光無源器件等等，光纖愈發(fā)凸顯其在現(xiàn)代社會中的重要性。在光纖通信施工中，一般使用光纖切割器來制備光纖端面，用光纖熔接機來實現(xiàn)光纖永久性接續(xù)。同一熔接條件下，光纖切割器的設計制造精度越高，光纖端面的切割質量越好，光纖的熔接損耗越小。因此，在光纖通信施工中，光纖切割質量是至關重要的。本文主要討論影響光纖切割質量的因素，提出改進切割質量的措施并進行驗證。

1光纖切割質量的定義

光纖切割質量是指光纖經過專用工具切割制備后端面的表面質量狀況，一般用端面角度來定量描述。光纖端面角是指切割后的光纖末端面與和光纖軸線垂直的面的夾角。若光纖端面角很小，光纖端面的平整性通常也會很好；若是端面角較大，毛刺和缺損就很容易出現(xiàn)，切割質量就會較差，不能滿足光纖通信施工要求。

2光纖端面角對光纖熔接損耗的影響

光纖接續(xù)是光纖網絡建設和維護中工程量大、技術要求最復雜的重要工序，其質量好壞直接影響光纖線路的傳輸質量和可靠性。衡量接續(xù)質量的最重要指標是熔接損耗，它是指光纖接續(xù)點產生的功率損失，公式如下：

Ｌ＝１０ｌｏｇ■（1）

式中L為熔接損耗，Pi是輸入功率，Po是經過接續(xù)點的輸出功率。

在同一條件下，光纖端面角直接決定著光纖熔接損耗的大小。兩者之間對應關系的公式如下：

Ｌ＝１．３×１０－２（ｎ２ｗ?準／γ）2（2）

式中，L為熔接損耗，ｎ２為折射率，?準為軸線彎曲角度，γ為傳輸波長。當光纖端面切割傾斜角達1°時，光纖熔接損耗的理論值達0.21dB。

3影響光纖端面角的因素

3.1與光纖端面角有關的理論

光纖是用石英玻璃拉制而成，光纖的切割及端面的形成，屬于脆性固體斷裂問題。

在斷裂力學中，裂紋位移有三種基本類型：張開型（Ⅰ型）、滑開型（Ⅱ型）和撕開型（Ⅲ型），如圖1所示。在三種類型中，張開型與固體裂紋的擴展關系最大，也是和光纖端面切割有直接關系。

圖1斷裂的三種基本類型

根據格里菲斯的能量平衡理論可知，裂紋總是沿著機械能釋放率G的極大值方向擴展。而在Ⅰ型裂紋中，裂紋自身所在平面即是G的極大值方向，因此Ⅰ型裂紋總是沿著自身所在平面擴展，具有“方向的穩(wěn)定性”。研究表明，對于一個光導纖維即玻璃圓柱體而言，沿著與圓柱體軸垂直的方向在其表面人為地刻劃出橫向裂紋，再沿著軸向均勻地施加足夠大的純Ⅰ型張應力，可以期望光纖在刻劃處斷裂從而得到一個良好、唯一和穩(wěn)定的斷裂端面。

3.2影響光纖端面角的因素分析

3.2.1刻劃裂紋的方向

從前述內容看，在光纖玻璃圓柱體表面刻劃裂紋時要沿著與圓柱體軸線垂直的方向，但是實際當中，由于機械零件的制造誤差和裝配誤差，不能達到絕對垂直，將會對端面角產生一定的影響。

圖2脆性固體斷裂事例

圖2中所示的是承受均勻拉應力作用的脆性環(huán)氧樹脂平板中的裂紋擴展路徑，箭頭所示為預先存在的裂縫SS'上的各個載荷分量。在裂紋剛剛開始擴展時，Ⅰ型載荷和Ⅱ型載荷是相當?shù)?；而隨著裂紋的進一步擴展，Ⅰ型載荷就遠遠大于Ⅱ型載荷了。其中的剪應力起到了一種“修正”的作用，使偏轉的裂紋回到與外加最大主拉伸應力相垂直的一個穩(wěn)定平面上來。

圖中裂縫與外加拉應力方向的夾角約為50°，而商用光纖切割刀的制造精密度很高，刀刃劃刻光纖的方向與光纖軸線的夾角極小，可以推理出：刻劃裂紋方向的偏差對光纖端面角的影響是比較小的。

3.2.2切割深度

合適的裂紋對于裂紋擴展路徑是一個重要因素，在實際情況中，光纖切割深度如何影響端面角，這方面鮮有論文進行論述。本項目組自制了一種調試工具，做了一些定性試驗，以研究切割深度對光纖端面角的影響。

如圖3所示，刀高調試工具由百分表、底座、測量頭和固定螺釘組成。百分表的測量精度0.01mm，其他零件的若干關鍵尺寸偏差都控制在微米量級。使用時把底座放置在刀片兩側橡膠板上，測量頭下端的方形通槽與刀刃兩側面接觸，百分表用于測量刀刃圓與光纖截面在半徑方向的重合量，即光纖切深。

在若干臺光纖切割刀上用包層直徑125um的石英光纖做試驗，通過調整刀刃高度，使百分表的指針從0開始增加。在此過程中發(fā)現(xiàn)，當百分表示數(shù)小于0.03mm和大于0.08mm時，使用具備端面角度判斷功能的光纖熔接機進行判斷，光纖端面角都大于1°。而當百分表的示數(shù)在0.04mm和0.06mm之間時，端面角度判斷小于0.5°。由此可推斷出，若要獲得良好的光纖端面角，需要將光纖的切割深度控制在一定范圍內。

圖3刀高調試工具

3.2.3切口角度

在實際情況中，由于機械零部件的各種尺寸誤差累積，很容易造成刀刃面與光纖軸線產生夾角。這種情況會對光纖端面角造成一定的影響。

圖4切口角度假想事例示意圖

如圖4所示，由于夾持光纖兩端的零件由于制造誤差導致光纖不再處于水平狀態(tài)，而是左右有一高度差h，使得這段光纖的跨中位置的假想端面（與光纖軸線垂直）與鉛垂面有一夾角β；刀刃面由于安裝刀片的零件的制造誤差，與鉛垂面有一夾角?棕。此時，刀刃在切割光纖時使得切口有一定角度的傾斜，而這一角度與端面角成互余關系。假設裂紋沿著自身所在平面擴展，最后形成的端面角正好是β+?棕。

假設刀刃面在兩個相距l(xiāng)=0.008mm的鉛垂面之間且在最大傾斜位置，刀刃圓直徑D=20mm，光纖兩端水平距離Ｌ＝11.3mm，高度差h=0.018mm則可以得到：

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

從上式知，端面角理論值已經達到了0.1°。有試驗證明隨著切口深度的增加，切口角度對裂紋擴展方向的影響增加。所以可類比推斷出由機械零件制造誤差造成的光纖端面傾斜是需要得到足夠的重視。

4提高光纖切割質量的方法

4.1控制刀片劃刻光纖的運動

從切口角度方面可以看出來，刀片劃刻光纖的運動方式對裂紋擴展后形成的端面角有著一定的影響，而這在很大程度上是由機械零件加工精度和裝配精度造成的，所以應采取一些措施，減小不良影響：

（1）提高光纖切割刀的關鍵定位面、安裝面的平行度以及關鍵零部件的尺寸精度，使刀刃運動方向與光纖軸線的夾角，以及刀刃面與光纖軸線的夾角保持在一定范圍內，盡量減小刻劃裂紋的方向與切口角度對光纖端面角的不利影響。

（2）選用精密度高的直線導軌，提高刀片運動時的平穩(wěn)性能，以避免在切割光纖時出現(xiàn)刀片振動而導致端面角增大甚至端面異常而不能使用。

4.2合理控制切割深度

如前所述，無論在理論上還是在實際情況中，光纖切割深度對于端面角都是一個重要因素，這就需要將刀刃高度控制在一個合理的范圍內。本文作者用定性實驗推斷出這個結論，也在考慮以后對光纖切割深度進行準確測量，來了解切割深度對光纖端面角的影響的具體情形。同時也在考慮設計制造更加精確的刀高調試工具，用來提高光纖切割質量，降低光纖端面角。

4.3控制裂紋受力方向

從理論上講，要獲得良好的斷裂端面，需要向裂紋施加純Ⅰ型張應力。但在實際中，用來切割包層直徑為125um的光纖切割刀，一般采用四點或三點加載的方式使光纖斷裂。如圖所示，刀片兩端采用橡膠壓板將光纖壓緊，待刀刃在光纖下方刻劃之后，光纖上方有一個帶有方形通槽或實心的零件自動落下至裂紋正上方將其掰斷。這樣做的原因是，當在裂紋自身所在平面，處于裂紋前方，向裂紋尖端施加足夠大的載荷時，會在裂紋兩側產生拉應力。

圖5光纖切斷示意圖

如圖5，當裂紋自身所在平面與砧板左右對稱面重合時，裂紋兩側所受拉應力σ大小相等、方向相反，屬于純Ⅰ型張應力，裂紋沿著自身所在平面擴展從而形成良好端面。如果砧板位置較偏或左右傾斜，就會導致裂紋平面兩側拉應力的方向發(fā)生變化、大小失衡，造成端面角異常。因此，當用此種方式切斷光纖時，最大程度地減小裂紋自身所在平面和砧板左右對稱面的距離，對降低端面角有重要作用。

5實例分析

為了驗證前面敘述的提高光纖切割質量的方法是否有效，作者選用中國電科集團第四十一研究所生產的AV33012型光纖切割器做了相關實驗。該切割刀采用高強度鋁合金制造，關鍵定位面、安裝面的平行度以及關鍵零件部尺寸精度均控制在微米級，將刻劃光纖的方向與切口角度對端面角的不利影響降到最低程度；同時選用進口高精密直線導軌，運動時的跳動量控制在3微米以下，最大程度地保證刀片劃刻光纖運動的平穩(wěn)性。

筆者借助影像測量儀，將刀刃面與砧板對稱面的距離調整到0.1mm左右；并借助刀高調試工具，將刀刃高度調整到百分表示數(shù)的0.04mm與0.06mm之間。然后制備了幾個光纖端面，用具有端面角度判斷的光纖熔接機進行判讀，均小于0.5°，又使用影像測量儀進行測量，測量結果和光纖熔接機的判讀差別很小。試驗證明，本文中提出的提高光纖切割質量的方法是有效的。

6結論

本文對光纖切割質量的定義進行了闡述，采用光纖端面角對光纖切割質量進行定量描述。論述了光纖端面角與光纖熔接損耗的對應影響。簡要敘述了與光纖端面角有關的斷裂力學問題，分析了影響光纖端面角的因素，提出了提高光纖切割質量的方法，并進行了實驗驗證。

【參考文獻】

［１］牛文學，梁藝軍，等.光纖端面檢測方法的實驗研究[J]．應用科技，2002，29(3)：19-22．

［２］趙新彥.光纖端面參數(shù)自動化測量系統(tǒng)的研究[J].光學儀器，2009(4)：1-6．

［３］趙偉杰.機器視覺在光纖端面缺陷檢測中的應用[J].現(xiàn)代電子技術，2011(19)：136-139．

［責任編輯：劉帥]

4提高光纖切割質量的方法

4.1控制刀片劃刻光纖的運動

從切口角度方面可以看出來，刀片劃刻光纖的運動方式對裂紋擴展后形成的端面角有著一定的影響，而這在很大程度上是由機械零件加工精度和裝配精度造成的，所以應采取一些措施，減小不良影響：

（1）提高光纖切割刀的關鍵定位面、安裝面的平行度以及關鍵零部件的尺寸精度，使刀刃運動方向與光纖軸線的夾角，以及刀刃面與光纖軸線的夾角保持在一定范圍內，盡量減小刻劃裂紋的方向與切口角度對光纖端面角的不利影響。

（2）選用精密度高的直線導軌，提高刀片運動時的平穩(wěn)性能，以避免在切割光纖時出現(xiàn)刀片振動而導致端面角增大甚至端面異常而不能使用。

4.2合理控制切割深度

如前所述，無論在理論上還是在實際情況中，光纖切割深度對于端面角都是一個重要因素，這就需要將刀刃高度控制在一個合理的范圍內。本文作者用定性實驗推斷出這個結論，也在考慮以后對光纖切割深度進行準確測量，來了解切割深度對光纖端面角的影響的具體情形。同時也在考慮設計制造更加精確的刀高調試工具，用來提高光纖切割質量，降低光纖端面角。

4.3控制裂紋受力方向

從理論上講，要獲得良好的斷裂端面，需要向裂紋施加純Ⅰ型張應力。但在實際中，用來切割包層直徑為125um的光纖切割刀，一般采用四點或三點加載的方式使光纖斷裂。如圖所示，刀片兩端采用橡膠壓板將光纖壓緊，待刀刃在光纖下方刻劃之后，光纖上方有一個帶有方形通槽或實心的零件自動落下至裂紋正上方將其掰斷。這樣做的原因是，當在裂紋自身所在平面，處于裂紋前方，向裂紋尖端施加足夠大的載荷時，會在裂紋兩側產生拉應力。

圖5光纖切斷示意圖

如圖5，當裂紋自身所在平面與砧板左右對稱面重合時，裂紋兩側所受拉應力σ大小相等、方向相反，屬于純Ⅰ型張應力，裂紋沿著自身所在平面擴展從而形成良好端面。如果砧板位置較偏或左右傾斜，就會導致裂紋平面兩側拉應力的方向發(fā)生變化、大小失衡，造成端面角異常。因此，當用此種方式切斷光纖時，最大程度地減小裂紋自身所在平面和砧板左右對稱面的距離，對降低端面角有重要作用。

5實例分析

為了驗證前面敘述的提高光纖切割質量的方法是否有效，作者選用中國電科集團第四十一研究所生產的AV33012型光纖切割器做了相關實驗。該切割刀采用高強度鋁合金制造，關鍵定位面、安裝面的平行度以及關鍵零件部尺寸精度均控制在微米級，將刻劃光纖的方向與切口角度對端面角的不利影響降到最低程度；同時選用進口高精密直線導軌，運動時的跳動量控制在3微米以下，最大程度地保證刀片劃刻光纖運動的平穩(wěn)性。

筆者借助影像測量儀，將刀刃面與砧板對稱面的距離調整到0.1mm左右；并借助刀高調試工具，將刀刃高度調整到百分表示數(shù)的0.04mm與0.06mm之間。然后制備了幾個光纖端面，用具有端面角度判斷的光纖熔接機進行判讀，均小于0.5°，又使用影像測量儀進行測量，測量結果和光纖熔接機的判讀差別很小。試驗證明，本文中提出的提高光纖切割質量的方法是有效的。

6結論

本文對光纖切割質量的定義進行了闡述，采用光纖端面角對光纖切割質量進行定量描述。論述了光纖端面角與光纖熔接損耗的對應影響。簡要敘述了與光纖端面角有關的斷裂力學問題，分析了影響光纖端面角的因素，提出了提高光纖切割質量的方法，并進行了實驗驗證。

【參考文獻】

［１］牛文學，梁藝軍，等.光纖端面檢測方法的實驗研究[J]．應用科技，2002，29(3)：19-22．

［２］趙新彥.光纖端面參數(shù)自動化測量系統(tǒng)的研究[J].光學儀器，2009(4)：1-6．

［３］趙偉杰.機器視覺在光纖端面缺陷檢測中的應用[J].現(xiàn)代電子技術，2011(19)：136-139．

［責任編輯：劉帥]

4提高光纖切割質量的方法

4.1控制刀片劃刻光纖的運動

從切口角度方面可以看出來，刀片劃刻光纖的運動方式對裂紋擴展后形成的端面角有著一定的影響，而這在很大程度上是由機械零件加工精度和裝配精度造成的，所以應采取一些措施，減小不良影響：

（1）提高光纖切割刀的關鍵定位面、安裝面的平行度以及關鍵零部件的尺寸精度，使刀刃運動方向與光纖軸線的夾角，以及刀刃面與光纖軸線的夾角保持在一定范圍內，盡量減小刻劃裂紋的方向與切口角度對光纖端面角的不利影響。

（2）選用精密度高的直線導軌，提高刀片運動時的平穩(wěn)性能，以避免在切割光纖時出現(xiàn)刀片振動而導致端面角增大甚至端面異常而不能使用。

4.2合理控制切割深度

如前所述，無論在理論上還是在實際情況中，光纖切割深度對于端面角都是一個重要因素，這就需要將刀刃高度控制在一個合理的范圍內。本文作者用定性實驗推斷出這個結論，也在考慮以后對光纖切割深度進行準確測量，來了解切割深度對光纖端面角的影響的具體情形。同時也在考慮設計制造更加精確的刀高調試工具，用來提高光纖切割質量，降低光纖端面角。

4.3控制裂紋受力方向

從理論上講，要獲得良好的斷裂端面，需要向裂紋施加純Ⅰ型張應力。但在實際中，用來切割包層直徑為125um的光纖切割刀，一般采用四點或三點加載的方式使光纖斷裂。如圖所示，刀片兩端采用橡膠壓板將光纖壓緊，待刀刃在光纖下方刻劃之后，光纖上方有一個帶有方形通槽或實心的零件自動落下至裂紋正上方將其掰斷。這樣做的原因是，當在裂紋自身所在平面，處于裂紋前方，向裂紋尖端施加足夠大的載荷時，會在裂紋兩側產生拉應力。

圖5光纖切斷示意圖

如圖5，當裂紋自身所在平面與砧板左右對稱面重合時，裂紋兩側所受拉應力σ大小相等、方向相反，屬于純Ⅰ型張應力，裂紋沿著自身所在平面擴展從而形成良好端面。如果砧板位置較偏或左右傾斜，就會導致裂紋平面兩側拉應力的方向發(fā)生變化、大小失衡，造成端面角異常。因此，當用此種方式切斷光纖時，最大程度地減小裂紋自身所在平面和砧板左右對稱面的距離，對降低端面角有重要作用。

5實例分析

為了驗證前面敘述的提高光纖切割質量的方法是否有效，作者選用中國電科集團第四十一研究所生產的AV33012型光纖切割器做了相關實驗。該切割刀采用高強度鋁合金制造，關鍵定位面、安裝面的平行度以及關鍵零件部尺寸精度均控制在微米級，將刻劃光纖的方向與切口角度對端面角的不利影響降到最低程度；同時選用進口高精密直線導軌，運動時的跳動量控制在3微米以下，最大程度地保證刀片劃刻光纖運動的平穩(wěn)性。

筆者借助影像測量儀，將刀刃面與砧板對稱面的距離調整到0.1mm左右；并借助刀高調試工具，將刀刃高度調整到百分表示數(shù)的0.04mm與0.06mm之間。然后制備了幾個光纖端面，用具有端面角度判斷的光纖熔接機進行判讀，均小于0.5°，又使用影像測量儀進行測量，測量結果和光纖熔接機的判讀差別很小。試驗證明，本文中提出的提高光纖切割質量的方法是有效的。

6結論

本文對光纖切割質量的定義進行了闡述，采用光纖端面角對光纖切割質量進行定量描述。論述了光纖端面角與光纖熔接損耗的對應影響。簡要敘述了與光纖端面角有關的斷裂力學問題，分析了影響光纖端面角的因素，提出了提高光纖切割質量的方法，并進行了實驗驗證。

【參考文獻】

［１］牛文學，梁藝軍，等.光纖端面檢測方法的實驗研究[J]．應用科技，2002，29(3)：19-22．

［２］趙新彥.光纖端面參數(shù)自動化測量系統(tǒng)的研究[J].光學儀器，2009(4)：1-6．

［３］趙偉杰.機器視覺在光纖端面缺陷檢測中的應用[J].現(xiàn)代電子技術，2011(19)：136-139．

［責任編輯：劉帥]