（物理电子学专业论文）光纤熔接损耗的研究.pdf

中文摘要 本论文主要分析研究了影响光纤熔接损耗的本征和非本征因素，提出了光纤 熔接的改善措施，以降低光缆链路中光纤的平均损耗，从而达到改善光传输特性 的目的。本论文首先介绍了光纤损耗的理论知识、光纤熔接损耗的定义、熔接的 方法、原理和熔接损耗的测量方法；其次讨论了影响熔接损耗的本征因素和非本 征因素，着重研究了模场直径对光纤熔接损耗的影响，并进行了试验验证；接着 对南京华新藤仓( 以下简称n w f ) 光纤与康宁、长飞光纤的混用进行了研究并通 过大量的熔接实验进行了验证，确认三种光纤可以混用，为运营商选择光纤提供 了理论及实验依据：最后从实用的角度提出了降低熔接损耗的方法。 本论文的重要研究成果已制定了相关的作业标准用于指导施工现场的熔接作 业，并取得了良好的效果，得到运营商的肯定，为公司业务的开展提供了有力的 保障，同时为国内其他光缆熔接施工提供了可以借鉴的经验。 关键词：光纤光纤损耗熔接损耗o t d r 模场直径光纤混用 a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e st h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ef u s i o nl o s so ft h eo p t i c a lf i b e ra n d p r o v i d e st h ea m e n d m e n to fs p l i c i n g ，w h i c hc a nr e d u c et h ef u s i o nl o s si nt h ec a b l el i n k a n di m p r o v e st h eo p t i c a lt r a n s m i t i o np e r f o r m a n c eo ft h ef i b e r f i r s t ，t h i sp a p e rp r e s e n t s t h et h e o r e t i c a l k o n w l e d e g e ，d e f i n i t i o n ，m e t h o d ，p r i n c i p l ea n dm e a s u r e m e n to ft h e f u s i o nl o s s t h e n ，t h et w of a c t o r s ，s l e f - f a c t o ra n dn o n - s l e f f a c t o r , w h i c ha f f e c tt h ef u s i o n l o s s ，a r ed i s c u s s e d t h ea f f e c t i o no ft h em o d e f i e l dd i a m e t e ri st h ee m p h a s i so ft h e s t u d i e s l a r g em o u n t so ff u s i o nt e s t sa r ec a r r i e do u t t om a k es u r et h a tt h ef i b e rf r o mt h e t h r e em a n u f a c t u r e r s ，n w f ，c o m i n g ，a n dy a n g t z ec a nb eu s e db ym i x i n g ，w h i c h p r o v i d e sat h e o r e t i c a la n da c t u a lp r o o ff o rc h o o s i n gt h ef i b e rb yt h ec a r r i e r s f i n a l l y , a m e t h o di sp r e s e n t e dt or e d u c et h ef u s i o nl o s sf r o mt h ed e g r e eo fa p p l i c a t i o n t h ei m p o r t a n tr e s u l to ft h es t u d yh a sb e e na p p l i e dt oe s t a b l i s h i n ga no p e r a t i o n m a n u a lo ff u s i o nt o g u i d et h ef u s i o n t h ee x c e l l e n tr e s u l to ft h ep a p e rh a sb e e n o b t a i n e da n da d m i t t e db yt h ec a r r i e r s i tw o u l dg u a r a n t e et h es e r v i c em a r k e to fo u r c o m p a n y a n dp r o v i dt h ee x p e r i e n c ef o ro t h e rc o m p a n i e si ns p l i c i n gf i b e r k e y w o r d ：o p t i c a lf i b e r ，t h ef i b e ra t t e n u a t i o n ，t h ef i b e rl o s so ff u s i o n ，o t d r ( o p t i c a l t i m ed o m a i nr e f l e c t o r ) ，m o d e - f i e l dd i a m e t e r , m i x t u r eu s eo ff i b e r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名： 日期： 绪言 绪言 众所周知，目前光通信领域发展较快，光通信线路少则几公里、几十公里，多则上百公里， 甚至上千公里。由于受制造工艺、运输包装能力的限制，光缆的实际段长一般为2 3 公里。因 此一个光通信链路就必须由若干盘光缆前后连接而成，而连接就会产生熔接损耗，这就会对整 个线路的光传输特性产生影响。 本文将对光纤熔接产生的熔接损耗进行研究，以期找出影响光纤熔接损耗的因素，有针对 性地提出改善方案，并制定相应的操作标准指导光缆熔接施工。 同时，随着光通信领域的迅速崛起，越来越多的光纤光缆制造商参与了市场竞争，也为运 营商降低网络线路的建设成本提供了良机，但由于市场上光纤光缆优劣参半，鱼目混珠，运营 商在选择光纤光缆时还是持比较谨慎的态度。 本文通过熔接试验验证了南京华新藤仓( 以下简称为n w f ) 光纤分别与世界第一品牌光纤 康宁光纤及国内第一品牌光纤长飞光纤在相互熔接上熔接损耗不存在异常，完全可以 混用，消除了运营商的疑惑，为运营商提供了更多的选择，为我公司光纤迅速打开国内市场， 并在2 0 0 3 年取得国内光纤业三甲的骄人业绩提供了有力的技术保障。 通过对熔接损耗的研究，我公司在光纤、光缆熔接技术上有了较大的提高。公司将为更多 的运营商提供更快、更新、更高的熔接服务。 东南大学硕i 学位论文 1 1 光纤损耗 第一章理论基础 光导纤维的传输损耗是光导纤维最重要的传输特性之一。由于实际光纤总是有损耗的，它是限制光纤通 信的传输距离和传输速率的主要因素之一。因此，研究光纤损耗并努力设法降低损耗一直是人们长期奋斗的 目标。 光纤损耗分为本征损耗和非本征损耗。 光纤的本征损耗分别是由散射、吸收和色散引起的，这些损耗是光纤的固有损耗。主要原因是石英玻璃 本身的缺陷和含有金属过渡杂质，尤其是伽基的反应。主要分为：( 1 ) 散射损耗；( 2 ) 吸收损耗；( 3 ) 色 散损耗。 光纤的非本征损耗又指光纤的附加损耗，主要包含：( 1 ) 辐射损耗：它是由于光纤拉丝工艺、光纤直径、 椭圆度的波动、套塑层的温度变化的胀缩和涂层低温收缩导致光纤微弯所致；( 2 ) 应用损耗：它是由于光纤 的张力、弯曲、挤压造成的宏弯和微弯所引起的损耗，主要是宏弯损耗。 以上损耗是光缆本身在架设后固有的损耗，按目前的行业标准光缆中光纤的损耗是在1 3 1 0 n m 处为： 0 3 6 d b k m ；在1 5 5 0 n m 处为：0 2 1 d b k m 。 而光缆链路中光纤损耗除了光缆中光纤的固有损耗以外，还包含连接器损耗和光纤接头的熔接损耗。 光纤链路损耗= 光纤损耗+ 连接器损耗+ 熔接点损耗； 光纤损耗= 光纤损耗系数( d b k i n ) 光纤长度( k m ) ； 连接器损耗= 连接器损耗，个连接器个数： 熔接损耗= 熔接点损耗，个熔接点个数；具体见图1 1 蝴镶蹴 髅瓣弁髓 莲麟雠 圣i t 争 l| 琏耪魑鹃 凇熊黼僦 麟池扮 图1 1 光纤链路损耗 例如：在1 0 0 瑚的光缆中按目前的正常段长2 删盘计算一般有5 1 个接头，则按目前的标准计算在1 5 5 0 n m 时光纤损耗为0 2 1 d b k m ，则i o o k m 的光缆中光纤在1 5 5 0 n m 的损耗为0 2 1 * 1 0 0 = 2 1 d b ；二是光纤接头的熔接 损耗，按目前的标准正常情况下接头损耗为0 0 5 个，4 9 个接头的总损耗为2 5 5 d b 。这样熔接损耗占整个链 路损耗的1 1 左右，每公里的损耗增至0 2 4 d b k m 。由此可见熔接损耗对整个链路损耗的影响是非常大的，要 改善整个链路的损耗除了严格控制光缆中光纤的损耗外，降低熔接损耗是比较有效的途径之一。 为此我们将对光纤的熔接损耗进行研究，以期找出降低熔接损耗的方法，从而改善整个链路的熔接损耗，进 步改善传输特性，改善光纤通信的传输距离及速率。 2 第一章理论基础1 1 2 光纤熔接损耗的定义 在实际工程使用的光缆中，即使是同一制造商、同一型号的光纤产品，由于其沿轴不可能完全均匀( 参 数不相同) ，沿轴产生的背向散射光功率不同。 现选1 号纤：模场直径9 1 9 2 u m ；2 号纤：模场直径8 9 3 8 p m 。并将两根光纤进行熔接，然后： 1 ) 从1 号纤注入到2 号纤测得光时域反射仪( 以下简称o t d r ，o p t i c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t e r 的 缩写) 曲线如图1 2 所示。图上的盯，是真正的两根参数不同的光纤熔接头损耗。永远为正；口1 。- 2 为从1 号纤注入到2 号纤时瑞利散射光功率，客观存在，对给定的两根熔接光纤，其绝对值大小不变；口i 为从1 号纤注入到2 号纤的视在( 非真实的) 熔接头损耗，向上为负。 图1 2 由1 号纤光纤注入2 号纤测得0 t i ) r 曲线 2 ) 从2 号纤注入到1 号纤测得的o t d r 曲线如图1 3 所不。i 司样，图上的as 是真正的两根参数不l 司的 光纤熔接头损耗，永远为正；口口2 - 1 为从2 号纤注入到1 号纤时瑞利散射光功率，客观存在，对给定的两根熔 接光纤，其绝对值大小不变：口，2 - 1 为从2 号纤注入到1 号纤的视在( 非真实的) 熔接头损耗，向下为正。 当在接头处的瑞利散射光功率中，正向小于背向时，口b l - 2 为负；当在接头处的瑞利散射光功率中，正 向大于背向，口b 2 1 为正。但它们的绝对值相等，即 口 2 = 2 - 1 。 由图1 2 和图1 3 可见： 3 东南大学硕十学位论文 图1 3 由2 号纤注入到1 号纤测得的0 t d r 曲线 口：一2 = 一( 一c b i - 2 一口，) = 一( 口 一口，) ( 1 1 ) 两根光纤接头损耗定义为： 2 1 = 口b 2 - 1 + 口j ( 1 2 ) 口，= ( a ：2 + 口；一) 2 o ( 1 3 ) 从1 号纤注入到2 号纤得到上升台阶( z - 2 0 ) ，相应于光纤由小模场直径至大模场直径由( 1 3 ) 式可见：单个 光纤熔接头损耗，应定义为两方向熔接头的平均损耗值。 1 3 光纤熔接损耗取双向平均值的意义 由于光纤的折射率、芯径、模场直径以及瑞利散射系数的不同，所以从光纤接头两端分别测量熔接损耗 所得到的两个方向的测量值是不同的且相差较大，o t d r 测得光纤接头的熔接损耗值可能为正值也可能为负 值，对熔接损耗为负值的光纤接头可认为熔接合格，一般不重新熔接。因此g b t 1 5 9 7 2 4 1 9 9 8 光纤总规范 第四部分：传输特性和光学特性试验方法，“点不连续损耗( 熔接损耗) 的测量应进行双向测量法，将双方 向测量取得的数值进行平均( 这样可消除视在增益) 得出点不连续损耗”。 4 第一二章光纤熔接介绍 2 1 光纤熔接应用的场合 第二章光纤熔接介绍 光缆熔接主要有两大类场合： 1 ) 缆与缆之间的连接：主要是在接头盒进行熔接，如图2 1 图2 i 光缆接头盒 2 ) 缆与终端之间的连接：主要在终端盒中进行熔接，如图2 2 光萨雕择 图2 2 光缆熔接终端盒 5 东南人学硕t 学位论文 2 2 光纤熔接的工具 熔接工具主要有：1 ) 光缆剪用于剪断光缆，做熔接前的准备，如图2 3 2 ) 剥脂钳用于去除光纤上的涂覆层，做熔接准备，如图2 4 3 ) 擦纤纸用于擦除光纤上的涂覆层及灰尘，如图2 5 4 ) 切割刀用于光纤的切割，熔接光纤的制备，如图2 6 5 ) 熔接机将光纤进行连接的设备，如图2 7 图2 3 光缆剪( 6 5 c m * g c m ) 图2 4 剥脂钳( 1 3 5 c m 5 5 c m ) 6 第二章光纤熔接介绍 如图2 5 擦纤纸( $ c m * 8 c m * 1 5 5 c m ) 图2 6 切割刀( 9 c m 5 5 c m * 5 c m ) 图2 7 熔接机( 1 8 5 c m * 1 7 5 c m * 1 3 7 c m ) 7 东南大学硕士学位论文 2 3 光纤熔接机的工作原理 2 3 i 熔接机的结构2 光纤熔接机由下述4 个部分组成： 1 ) 光纤的准直与佳紧机构：它是由精密的v 形槽和压板构成。精密v 形槽的作用是使一对( 或几对) 光纤不产生轴偏离；压板使光纤固定在v 形槽内。然而，即使如此。置于v 形槽内的光纤，还存在着微小的 轴偏移。消除这微小的轴偏移的一个方法是所谓的自调芯作用。它是指：在放电加热时，光纤表面将产生张 力。这种表面张力将使微小轴偏移得到纠正。 2 ) 光纤的对准机构：在熔接光纤之前，一般要通过手动或自动装置使纤芯完全对准。为了完成这一过 程，两个v 形槽的基座均固定在三维驱动机构上，使v 形槽可以在x 、y 、z 三个方向上移动。驱动机构由丝 杆和步进电机构成，精度很高。一般为每步o 1ui l l ，更精密的达到o o l m 。通过三维驱动机构的调整，使 光纤纤芯的横向错位、角度偏差得以消除，端面之间的间距将达到预定的大小。 3 ) 电弧放电机构：熔接机的电弧放电由电极完成。电极由钼丝制成，电极尖端加工成3 0 至4 0 角，电 极之间的间隙为1 2 r a m ，电弧放电多采用2 0 k i t z 的高频电源，高频放电电压为2 0 0 0 v 4 0 0 0 v 的高压，电流为 1 5 2 0 m a 。熔接机的放电电流和放电时间均可以调节。高档次的熔接机可以根据光纤熔化量的不同来自动调 整电极位置，以得到较低的熔接损耗。它可以自动变更熔接点的位置，保证放电均匀。同时，它还可以自动 诊断电极劣化程度，以便及时更换电极，保证放电良好。 4 ) 电弧放电和电机驱动的控制机构：自动光纤熔接机都具有“脑”和“眼”的功能。在熔接中，电极 的放电过程，电机的驱动，均要接受光纤对准机构、数字图像处理机构、纤芯偏移计算机构和各种指令控制， 即接受微机的控制，按照预定的程序工作，以期达到最佳的连接效果。 2 3 2 熔接机的操作面板 以日本藤仓f s m - 4 0 s 为例，如图2 8 ： 图2 8 日本藤仓f s m 一4 0 s 熔接机操作面板 8 第二章光纤熔接介绍 2 3 3 熔接原理 1 ) 对准光纤( 纤芯对准方式) ：光纤在开剥、清洁和切割后，经熔接机摄像系统放大处理，利用屏幕 上的光纤放大图像得到光纤的精确位置，控制纤芯在x 、y 、z 三个方向上的移动量，对准纤芯。 2 ) 清洁光纤：熔接机通过电极高压放电来清除光纤末端的灰尘、潮气。 3 ) 熔接：在电极高压放电的同时，熔接机在x 方向上送进光纤，通过电弧熔化光纤，在机械对准的基 础上，液态光纤表面张力进一步自动对准熔接，凝固后熔接完成。 4 ) 热缩加固：用热缩管在熔接点进行密封和强度保护 2 3 4 目前光纤熔接技术的状况 光纤熔接质量的好坏一般通过熔接损耗和熔接点强度来判断，其中，前者的大小更为关键。而提高和改 进光纤对准技术是提高熔接质量、降低熔接损耗的主要途径。当今光纤熔接领域，光纤对准技术不外乎有以 下几种： 1 ) 芯影像对准系统( p a s ) ，或在此基础上改进的透镜成像轮廓对准系统( l p a s ) ； 2 ) 成像对准系统( h d c m ) ； 3 ) 成像熔接控制( w i s p ) ； 4 ) 本地光注入系统( l i d - s y s t e m ) 。 而在以上几种光纤对准系统中，只有本地光注入系统是唯一的一种直接对准的光纤熔接技术，其它几 种方法都为间接的光纤对准技术。目前市场上应用的熔接机出于技术原因和成本考虑，一般只采用一种光纤 对准系统，只有康宁的x 7 7 熔接机既采用了透镜成像轮廓对准系统，又使用了直接对准技术本地光注入 系统。 透镜成像轮廓对准系统，主要原理为通过两个摄像机实现光纤x 轴和y 轴两个方向上的成像，并且通 过光纤透镜系统对光纤影像进行放大。l p a s 视频影像评估系统主要借助视频图像上行和列的光强度曲线， 而光强度曲线反映了光纤的显著特性，包括光纤中心处的阴影、光纤损坏以及尘埃和污物。光纤对的两个方 向上的光密度曲线都被考虑到光密度曲线交叉相关的计算过程中。交叉相关函数用于计算对准过程中的光纤 补偿、光纤变形以及探测光纤端面质量和熔接损耗的评估。下图2 9 显示了用密度曲线表示的两根光纤的相 对位置。 图2 9 用密度曲线表示的两根光纤的相对位置 通过比较两根密度曲线实现光纤的对准，而当两根密度曲线完全重合时，包层就实现对准了。l - p a s 之所以属于间接对准技术，是因为l - p a s 技术仅仅实现包层的对准，而不是纤芯对准。这种技术的优点是： 熔接速度快，成本低，而且技术相当成熟。然而，正因为是间接对准，必然会影响光纤对准的精度。众所周 知，裸光纤由涂覆层、包层和纤芯组成。光纤熔接一般是熔接包层和纤芯，如果熔接过程中仅仅对准包层的 9 东南大学硕士学位论文 话，由于熔接两端光纤纤芯的不同芯度不一致，就会增加熔接损耗，甚至会出现无法正常熔接的现象。对熔 接不同种类的光纤，不同厂家的光纤，以及同一厂家不同批次的光纤而言，使用包层对准的熔接技术显然不 是最佳的选择。 本地光注入系统l i d - s y s t e m t m ( l o c a l1 i g h ti n j e c t i o na n dd e t e c t i o n ) 能够进行传输功率测试从而 达到精确的光纤芯一芯对准和自动熔接时间控制a f c 的目的。具体而言，l i d - s y s t e m t m 采用了光功率测试技 术，首先将单模波长为1 3 0 0 n m 的光通过左侧的微弯耦合器注入纤芯，然后光信号由右侧的微弯耦合器耦合 出纤芯，并由探测器探测光功率。在两根光纤进行x 轴和y 轴对准的过程中，当耦合注入的光和耦合输出 的光功率相当时，表明两根光纤已经实现了芯一芯对准。在此基础上，x 7 7 还采用了自动熔接时间控制系统 ( a f c ) ，以求达到最佳的熔接效果。a f c 自动熔接控制系统，在探测到最佳的输出功率的那一时刻( 即耦台 输出的光功率和耦台注入的光功率相当的时刻) ，将信号传输至微处理器，再由微处理器控制高压放电装置 停止放电熔接。这一过程能够补偿光纤特性、电极性能以及环境变化而导致的不稳定因素，以求每一次熔 接都有最小的熔接损耗。 2 4 光纤熔接的过程及步骤 光纤熔接应遵循的原则是：芯数相等时，要同束管内的对应色光纤对接，芯数不同时，按顺序先接芯 数大的，再接芯数小的。 光纤熔接的过程和步骤： 1 ) 准备：开剥光缆，并将光缆固定到熔接盒内。注意不要伤到束管，开剥长度取1 m 左右，用卫生纸将 油膏擦拭干净，将光缆穿入熔接盒，固定钢丝时一定要压紧，不能有松动。否则，有可能造成光缆打滚折断纤 芯。分纤将光纤穿过热缩管。将不同束管，不同颜色的光纤分开，穿过热缩管。剥去涂覆层的光纤很脆弱， 使用热缩管，可以保护光纤熔接头； 2 ) 打开熔接机电源，使熔接机处于待机状态。注意：接交流电用a c 档，接直流电用d c 档。并在使用 中和使用后及时去除熔接机中的灰尘，特别是夹具，各镜面和v 型槽内的粉尘和光纤碎未； 3 ) 去除一、二涂层：用专用的剥线钳剥去涂覆层，再用沾酒精的擦纤纸在裸纤上擦拭几次，用力要适 度： 4 ) 制备光纤端面。光纤端面制作的好坏将直接影响熔接质量，所以在熔接前一定要做好合格的端面。 用精密光纤切割刀切割光纤，对0 2 5 s u n ( 外涂层) 光纤，切割长度为8 m m - 1 6 m m ，对0 9 m ( 外涂层) 光纤， 切割长度只能是1 6 r a m , 5 ) 光纤放入v 形槽内，关上防风罩，熔接机自动调x 、y 、z 方向使光纤对准，并通过监视确认已最佳 对准，通过电弧放电完成对接，一般只需1 1 秒； 6 ) 对熔接质量进行判定：如接头外观良好、熔接损耗合格，可进行下一步，如不正常则回到3 ) 重新 进行熔接； 7 ) 增强保护：移出光纤用加热炉加热热缩管。打开防风罩，把光纤从熔接机上取出，再将热缩管放在 裸纤中心，放到加热炉中加热。加热器可使用2 0 m m 微型热缩套管和4 0 m 及6 0 m m 一般热缩套管，2 0 m m 热缩 管需4 0 秒，6 0 m m 热缩管为8 5 秒； 8 ) 盘绕光纤余长：将熔接好的光纤盘到光纤收容盘上，在盘纤时，盘圈的半径越大，弧度越大，整个 线路的损耗越小。所以一定要保持一定的半径，使激光在纤芯里传输时，避免产生一些不必要的损耗； 9 ) 封好接线包：野外熔接盒一定要密封好，防止迸水。熔接盒进水后，由于光纤及光纤熔接点长期浸 泡在水中，可能会引起断纤。 1 0 ) 结束 l0 第二章光纤熔接介绍 陌习叶 i 一 图2 1 0 光纤熔接工艺流程 东南大学硕十学位论文 第三章光纤熔接损耗的测量3 1 3 1 背向散射法测量光纤的接续损耗的工作原理 光纤的损耗的测试方法有剪切法、插入损耗法、“四功率法”及背向散射法。其中背向散射法是一种多 功能的测最手段，它不但可以测最特定波长的光纤损耗，也可以测量接头损耗、光纤的损耗分布、光纤长 度和故障点位置等，它是目前测量光纤接续损耗最常用的一种测鼍方法。背向散射法原理是光脉冲在线路中 传输将沿途产生瑞利散射光和菲涅尔反射光，其中沿光脉冲传播方向相反的背向散射光将会沿光纤传输到 线路的进光端口，经处理后与入射光功率比较而得。 图3 1 是背向散射测量系统的示意图。电光变化器( 占d ) 在光脉冲发生器的作用下产生光脉冲，通过 耦合离合器入射到待测光纤的前端面，同时将散射和反射光耦合到光电变换器( d e ) ，光电变换器把收到 的微弱的散射和反射光信号转换成电信号再由放大器放大，经过信号处理就可得到各点的波形。通过对显 示波形的分析便可得到光纤损耗特性。 图3 1 背向散射测量系统的示意图 由光脉冲发生器产生的光功率为p ( o ) 的光脉冲，在，= 0 时刻注入光纤之中，经过f 时间后，光信号 传播距离s = l 处。显然l = c ( n t a t ) ，其中c 是光在真空中传播速度，1 1 t 是纤芯折射率。光信号在长 度为l 各点上都产生瑞利散射，汇成的反射光经过光纤的衰减损耗返回到光纤入射端，起反射功率为 e ( 2 a t ) 。反射光功率经过放大等处理后可接到示波器y 轴上。同时利用l = c ( n t f ) 关系，将时间轴变 为光纤传光距离j 的坐标轴；而将反射光功率经过o e 变换、放大以及对数据处理后接到y 轴上。这样从 l2 第三章光纤熔接损耗的测量3 1 示波器屏幕上可直接看到如图3 2 所示背向散射功率曲线。 利用背向散射功率曲线，可以很容易测出光纤沿线任意两点间或全程的损耗情况，从而知道各点光纤 损耗情况。其任意段光纤的损耗系数为 口：上1 p ( l j ) l g ( 3 1 ) 弘z 万而 邸 式中p ( l i ) 、p ( l ：) 分别对应于厶、厶点瑞利背向散射功率。 p i l l ) p n ，j 3 2 光纤熔接损耗的测量设备 光纤长度k m 图3 2 背向散射功率曲线 测量光纤接头熔接损一般用o t d r ，这种仪器采用背向散射法测量光纤接头处的熔接损耗值。熔接机上 虽也显示熔接损耗值，但因其采用的是光纤芯轴直视法进行局部监视测得的，只在非常理想的状态下方才反 映实际的光纤接头熔接损耗，因此熔接机显示的熔接损耗值在施工中一般仅供参考用。 图3 3o t d r 测试仪( 3 3 5 c m * 2 2 c m * 5 5 c m ) 13 东南大学硕士学位论文 3 光纤熔接损耗的测量方法 测量熔接损耗的方法主要有： 1 ) 远端监测法置于机房内的o t d r 通过带连接器的尾纤与被测光缆相连，光纤接续点不断向前移动， 而o t d r 始终在机房内对接续点进行质量监视和测量熔接损耗，其优点是测量偏差小，缺点是只能单向测量， 适用于模场直径一致性较好的光纤。 2 ) 近端监测法o t d r 始终在接续点前，距接续处的距离为一般光缆的盘长，缺点是o t d r 须不断向 前移动，影响仪器的使用，优点是o t d r 上午测量距离范围不需要太大。上述两种方法测得的熔接损耗值均 是单向测量值，须在光纤接头全部熔接完毕后再从光纤线路的另一端依次测量各个光纤接头的熔接损耗值， 然后将每个接头的两个方向的测量值相加取平均值作为该接头的熔接损耗。 3 ) 远端环取双向监测法将光缆内的光纤作临时环接构成回路，从而可对光纤接头进行双向测量，避 免了单向测量不能及时获得熔接损耗值的缺点。这种测量方法过于复杂，因而只适用于1 2 芯以下的光缆。 图3 3 为我司施工人员在熔接光纤时采用远端环回双向监测法测熔接损耗。网络采用8 芯层绞式光缆，光缆 内有红绿两根p b t ( p o l y b u t y l e n et e r e p h t h a l a t 的缩写) 束管，每根束管内有蓝、橙、绿、棕纤各一根。为简 便起见图3 3 中仅画出红管，每盘光缆的盘长均为2 k m ，o ，r d r 置于机房内测量。在第l 和第2 接线包处各 有一组熔接施工人员，分别称之为第l 组和第2 组，先由第2 组在第2 接线包处将第二盘缆红管中的蓝纤和 橙纤临时熔接起来，然后由第l 组将第1 、2 盘缆红管中的蓝纤和橙纤分别熔接起来。此时机房内的o t d r 接第一盘缆的橙纤，在2 k m 处可测得第1 接线包中红管内橙纤的接头从a 端到b 端方向的熔接损耗值a 1 2 ， 在6 k m 处测得橙纤的接头从b 到a 方向的熔接损耗值b 1 2 ，则橙纤的接头损耗值s 橙= ( a 1 2 + b 1 2 ) 2 ，蓝纤的 接头损耗值为s 蓝= ( a 1 2 + b 1 2 ) ，熔接损耗指标值符合要求，按上述方法熔接绿管中的蓝橙两根光纤直到两根 p b t 束管中的光纤全部熔接完毕。封好接线包后第1 组移到第3 组接线包处进行历史熔接，熔接方法与第2 组在第二接线包处的熔接方法相同；第2 组则正式熔接第2 接线包中的光纤，熔接完毕后移到第4 接线包处 进行临时熔接；第2 组正式熔接第3 接线包，依次类推直到光纤接头全部熔接完毕。这种方法避免了光纤接 续错乱，可及时按双向测鼍要求测出光纤接头熔接损耗并判断损耗值是否超标；避免了单向测量不能及时测 得熔接损耗的双向测量值，而导致日后对熔接损耗值超标的接头进行返工的缺点。 图3 3 测光纤接头熔接损耗的远端环回监测法 l4 线包第4 接线包 第4 盘光缆 ( 2 1 m ) 第叫章光纤熔接质量的评价标准 第四章光纤熔接质量的评价标准 4 1 国际电信联盟( 简称i t u ，下同) 标准 本试验在一个竣工的光纤接头中进行，用以度量接头质量。 试验按照i e c1 0 7 3 1 进行。测量可在实验室或现场进行。实验室用剪回法较好，现场可用双向o t d r 法。介入损耗的典型值可能随应用场合和( 或) 所用方法而变化。最小的接头损耗典型值0 i d b 。在某些 场合中，介入损耗典型值0 5 d b 是可能接受的。有许多熔接机和机械接续装置在制作接头后可以估算接头 损耗值。某些主管部门和私营运行机构在现场接续安装时采用这些估算值，并且在全部线路施工完成后， 再用o t d r 对线路全程进行复测。在现场安装时，也可用其它一些方法来估算接头损耗值，例如采用夹上 去的功率计和本地注入检测的方法。 4 2 国内标准 我国光通信从2 0 世纪8 0 年代中期开始发展极其迅速。光缆熔接质量控制是光通信网建设中一个重要 环节。光纤熔接标准多年来一直是一个有争议的问题，部颁d j 4 4 8 9 电信网光纤数字传输系统施工及验 收暂行规定简称暂规，对光纤熔接损耗的测量方法做了规定，但没有规定明确的标准。原信产部郑州 设计院在中国电信南九试验段以后的工程中提出了中继段单纤平均熔接损耗0 0 8 d b 个的设计标准，以后的 干线工程均沿用。 4 3 我国采纳i t u 建议的理由 我国也应采纳i t u 建议，其理由如下。 首先，熔接损耗不但与熔接技术有关，而且与光纤制造因素引起的固有损耗有很大关系，单靠熔接技 术而降低光纤接头损耗值，在目前情况下是很有限的。目前要求达到0 0 8 d b 损耗以下( 0 t d r 双向平均) 不能说做不到，但需要付出很大的代价。 其次，o t d r 及熔接机是造价昂贵的仪表，要花费大量的外汇从国外购进，且这些仪表的使用寿命都是 很有限。采用新建议可以大大减少o t d r 的数量，对熔接机的使用寿命也将大大延长，目前接一根光纤接头 平均熔接机要放电熔接5 1 0 次，而采用新建议后，则可以减少到每纤头放电熔接2 次以下。除了减少对 熔接机的磨损，同时对o t d r 、切纤刀、剥纡刀等贵重仪表工具的花费也将大大节约。 再次，目前的中继段5 0 k m 以内的占8 0 以上，若采用i t i j 建议，中继段损耗也不会超过0 5 d b k m ， 因为即使是不监测熔接，在目前成熟熔接技术条件下，8 0 以上的光纤接头仍会很小( 0 i d b 以内) ，接近 0 5 d b 的接头必定是很少，且不会集中分布。即使按0 5 d b k m 计算，5 0 k m 的总损耗2 5 d b ，满足开通2 5 g b i t s 波分复用传输系统，如果采用1 5 5 i ti n 窗口，则可以满足更高速率传输系统的需要。另有超长段可以用提 高发光功率的办法得到简便的解决，亦可在设计中针对性地提出对熔接损耗较严格的要求标准。 l5 东南大学硕p 学位论文 第五章影响光纤熔接损耗的原因分析3 1 5 1 影响光纤熔接损耗的原因分类 耗 影响光纤熔接损耗的原因主要分为两大类： 非本征因素和本征因素。 非本征因素主要是指在光纤制备过程中由于操作人员的因素引起光纤端面的不均一而产生的熔接损 本征因素主要是指由于光纤本身的几何特性不均一而产生的熔接损耗。 5 2 非本征因素对光纤熔接损耗的影响 5 2 1 接头损耗的人为因素 包括接头部位的光纤的轴向错位、端面折角、端面的不完齐等，这些因素都与光纤的熔接技术有关。其 主要原因列于表5 - 1 。 主要原因简图 鼻= o 一 轴向错位 “专二= 芦” 端面折角弋遗， 、爿 端面倾斜 等 表5 - 1 引起光纤熔接损耗的人为因素 5 2 1 1 光纤轴向错位引起的连接损耗 轴向错位取决于接续设备的调整精度。图5 1 为单模光纤的轴向错位与连接损耗的关系曲线。从图上 可以看出单模光纤的连接损耗对于轴向位错十分敏感。轴向错位达到1 5 um 时，已产生0 5 d b 的连接损耗。 因此，用于固定连接的光纤熔接机和活动连接器的对中机械都有精度要求很高的调整机构。 16 第五章影响光纤熔接损耗的原囡分析3 】4 图5 1 单模光纤的轴向错位与连接损耗的关系曲线 5 1 1 2 如图5 2 所示，连接损耗对折角的大小也比较敏感。折角为1 。时，引起的损耗为0 4 6 d b ，若要求 连接损耗小于0 1 d b ，折角应小于0 3 。 一n 6 电 鬻n 0 , 4 6 5 n 3 n 2 折角 图5 2 折角与熔接损耗的关系 17 兽一霉幂鞲蛾 东南人学硕十学位论文 5 1 1 3 光纤端面不完整引起的损耗 光纤端面不完整主要指切割光纤时断面与轴线不垂直，或者光纤端面制作的表面较为粗糙。导波模会从 两端面间的倾斜缝中向外泄漏，引起连接损耗一般来讲，光纤人工切断难免出现断面的倾斜，使用专用的 光纤切断器作出的断面倾斜度可以很小。活动连接时，必须对光纤的端面进行研磨，磨粒的直径应取0 卜l p m 。为了减少端面不完整性对连接损耗的影响，目前倾向于将光纤端面研磨成凸球面状，这就是将f c 型接 续改进成p c ( p h y s i c a lc o n t a c t ) 型接续的理由，它可以有效地抑制端面处的菲涅尔反射。对于采用熔接法进 行的固定连接，端面处的倾斜角对连接后的插入损耗有显著的影响。图5 3 为端面倾斜角与熔接前后的连接 兽 一 犍 辖 鹅 蜊 端由倾斜角( d e g ) 图5 3 端面倾斜角与熔接前后的连接损耗的关系 损耗的关系，端面倾斜角为4 。时，熔接后的连接损耗也有约0 5 d b 。因此减小倾斜角与降低轴向错位量是 同等重要的。上面已经讲过，端面倾斜度将是光纤切割器的重要性能指标。端面粗糙度也对熔接后的损耗有 影响，不过改进的熔接法都采用二次放电熔接( 又称预热熔接) 可以在正式熔接之前，先对光纤端面预热放电， 使端面整形，兼去除气泡，灰尘和杂质。 5 2 2 光纤熔接的环境因素 包括环境的灰尘量、环境温度、湿度和熔接机所在的海拔高度等状况，特别是低温对光纤熔接机的工作 状态和光纤接头质量的影响是很大的。 5 2 3 光纤熔接机的熔接条件 包括熔接机的熔接电流、熔接时间、光纤进位量等参数的调整和放电电极间隙等因素，对于不同类型的 光纤应该采用不同的熔接条件。 18 第五章影晌光纤熔接损耗的原因分析3 】4 ) 5 3 本征因素对光纤熔接损耗的影响 5 3 1 对接光纤的模场直径不匹配 光纤模场直径的计算公式q ： 因为单模光纤中只传输基模l p 0 1 模，所谓模场就是指光纤中基模场的电场强度随空间的分布。单模光 纤中的场并不完全集中在纤芯中，而相当部分的能量在包层中传输，所以不用纤芯的几何尺寸作为单模光纤 的特性参数，而是用模场直径作为描述单模光纤中光能集中程度的参量。模场直径的定义及测试方法有许多 种，本文以远场直接扫描法来定义模场直径d 则： ( 5 1 ) 式中f 为基模的远场强度分布，q = s i n 0 2 。其中护为相对于光纤轴的远场测试角，a 为光波长。 单模光纤中只传播基模，因而在其截面上的光斑即为基模光斑。模场直径d 就是用以衡量该光斑大小的 物理量的。经验表明，两条模场直径分别为d l 和d 2 的单模光纤的接续损耗用下式表示： 口= 2 0 l o g ( d 2 o , )( 5 2 ) 显然当d l = d 2 时也就是两根单模光纤模场直径相同时，其接续损耗口= 0 。 如某中继段内对接光纤的模场直径容差都在o 5 a n 以内，其他条件较为理想的情况下，则所有接头损耗都 将在0 ，0 5 d b 之内。 5 3 2 光纤的不圆度 纤芯不圆度： e ：篝二丢1 0 0 ) 1 2 ( d 一+ 屯) 、 式中d 一和d 。分别是光纤纤芯直径的最大值和最小值。 5 3 3 包层不圆度 e ：j 鲁车1 0 0 ( 5 4 ) 1 2 ( d 一+ d 柚) 、。 式中d 。和) 枷分别是光纤包层直径的最大值和最小值。单模光纤的大部分光通量是通过纤芯传播的，很 小部分光通量是通过包层传播。如对接光纤的纤芯、包层不圆将产生传输损耗。 19 竺抛 坐弦。 2 一万 = d 东南大学硕学位论文 5 3 4 光纤的不同心度又称偏心率 它是表征光纤纤芯的中心与包层的中心偏离程度的参数。其定义为： c = x d 1 0 0 ( 5 5 ) 式中工为纤芯中心与包层中心距离，d 为纤芯直径的平均值，d = 1 2 ( d 一十如。) ，该项指标直接影响对 接光纤的纤芯定位，这对带状光纤的熔接影响尤为显著。因带状光纤在熔接时光纤不能做个别调整，纤芯定 位只能取带内光纤的平均值。该项指标的优劣，对熔接损耗影响较大。 综上所述，在影响熔接损耗的本征因素中，模场直径是由光棒直接决定的，而纤芯不圆度、包层不圆度、 光纤的不同心度是由生产工艺决定的，根据目前的生产工艺状况，控制好纤芯不圆度、包层不圆度、光纤的 不同心度在比较理想的状态是完全可以实现的，而且模场直径是影响熔接损耗的主要因素，所以在下文中我 们将重点讨论并实验验证模场直径对熔接损耗的影响。 20 第六章光纤模场直行差异对熔接损耗的影响的试验验证 第六章光纤模场直径差异对熔接损耗的影响的试验验证 6 1 不同模场直径的光纤对接试验 选取三根光纤，其模场直径分别为9 5 0 2 、9 4 6 7 、9 5 6 8 ，将他们分别与模场直径从8 9 _ _ 9 5pm 的光纤对接 看熔接损耗的变化情况。 6 1 1 熔接损耗平均值随模场直径变化趋势，见图6 1 图6 1 熔接损耗平均值随模场直径变化趋势图 6 1 2 熔接损耗单端最大值随模场直径变化趋势，见图6 2 2l 东南大学硕_ l 学位论文 图6 2 熔接损耗单端最大值随模场直径变化图 从两个趋势图上看，光纤的模场直径对光纤的熔接损耗是有影响的。随模场直径越来越接近，熔接损耗 越来越小，尤其对熔接损耗单端最大值影响最为明显。而对熔接损耗的平均值影响较小。分析原因，有两个 原因可以解释。一是从o t i ) i i 测试原理解释。o t d r 测试是利用背向反射光来测试熔接损耗，而背向反射光与 相互连接的光纤的折射率、数值孔径、芯径、模场直径及散射系数有关，而这些参数的不同造成由两个方向 测量的结果不同。另一个原因是在光纤接头严重不良处，这些地方介质折射率发生突变，产生了强烈的光反 射。而菲涅尔反射光要比背向散射瑞利散射光强得多，他们的产生可能会导致高灵敏接受放大器进入饱和状 态，使背向散射曲线发生畸变，明显偏离线型关系，影响光纤接头损耗的测量。 据公式5 2 计算出两端差并将实际测量得到的光纤熔接损耗的两端差与理论计算得出的两端差进行比 较。 22 第六章光纤模场直彳= 差异对熔接损耗的影响的试验验证 6 1 3k i f d = 9 5 0 2ui l l 时的熔接损耗的双向测量差的变化趋势，见图6 3 图6 3m f d = 9 5 0 2 ”m 时的熔接损耗的双向测量差的变化趋势图 6 1 4m f d = - 9 4 6 7 m 时的熔接损耗的双向测量差的变化趋势，见图6 4 图6 4 i f d = 9 4 6 7 u m 时的熔接损耗的双向测量差的变化趋势图 6 1 5 m f d = 9 5 6 8um 时的熔接损耗的双向测量差的变化趋势，见图6 5 23 东南大学硕上学位论文 图6 5m f d = 9 5 6 8um 时的熔接损耗的双向测量差的变化趋势图 从理论数据与实际测晕的数据的比较看，模场直径的差异对从两端测的熔接损耗的著值影响是很明显的， 随着模场直径的差异增大，熔接损耗的双向测量差变大。实验结论与式6 1 的结论相吻合。 6 2 验证模场直径差异对熔接损耗的影响 为进一步验证该结论，做更深入的了解，使该结论具普遍性，根据n w f 光纤模场直径的实际分布，选 取样品进行试验，见表6 1 l 模场直径 9 5 样本数 131 04111 表6 1 光纤样本数的模场直径 24 第六章光纤模场直径差异对熔接损耗的影响的试验验证 6 2 1 光纤熔接损耗的平均值随光纤的模场直径的差值变化的趋势，见图6 6 图6 6 光纤熔接损耗的平均值随光纤的模场直径的差值变化的趋势图 6 2 2 光纤的熔接损耗的双向测量差随模场直径的差值变化趋势，见图6 7 图6 7 光纤的熔接损耗的双向测量差随模场直径的差值变化趋势图 25 东南大学硕士学位论文 6 2 3 熔接损耗的双