最高质量的光纤熔接和最精确的熔接损耗在线测试

1、最高质量的光纤熔接和最精确的熔接损耗在线测试Dirk NherCorning Cable SystemsWolfratshauserstr. 84, 81379 Munich, GermanyPhone: +49 89 5111 - 3163, Fax: +49 89 5111 - 3420e-mail: 康宁光缆系统（上海）有限公司 袁枫 (feng.yuan) 译康宁光缆系统（上海）有限公司 田丰 (feng.tian) 校摘要本文的主要内容是基于康宁光缆系统Bert Zamzow、Gervin Ruegenberg、Marty Anderson和Helmar Krupp的论文“高质量光纤

2、熔接和显著改善熔接损耗测试精度”。光纤熔接机是用于对光纤进行低损耗、低反射连接，以及确保光纤接头在未来使用中长期稳定的设备。光纤熔接机的使用者对熔接机的要求是：l 快速、廉价的光纤端面准备；l 无需调节任何参数的全自动熔接操作；l 精确的光纤接头损耗现场测试。本文展示的是怎样通过先进的测量技术达到以上的要求以及具体在光纤熔接机上的应用。本文描述了熔接损耗的降低以及其测量精度的提高。同时也讨论了通过技术改进，避免现场熔接时对熔接损耗采用估计的方式。光纤熔接机设备优化以后，使用者能得到的好处是：l 精确的光纤切割角度测量以及通过自动调节光纤推进，进而补偿不好的光纤端面；结果是有60的光纤熔接损耗通

3、过最小化高损耗（0.1dB）的部分得到改进的熔接；l 自动探测光纤类型；l 提高熔接损耗测量精度（在线测量损耗真实损耗）从0.030dB降低到0.018dB。介绍通过熔接的方式连接光纤，需要有几个步骤。以下将简要介绍一下各个步骤：1 用剥离工具去除光纤涂覆层；2 用专用光纤切割刀制备光纤端面；3 将光纤放入光纤熔接机，由熔接机完成光纤对准；4 通过电极放电产生电弧熔接光纤；5 分析接头损耗；6 保护和存储光纤接头。首先，需要准备光纤。采用专业剥离工具去除光纤涂层，同时用酒精清洁光纤。然后是制备光纤端面，用精准的光纤切割刀制备垂直、镜面的光纤端面。图1典型的商用光纤熔接机光纤放入光纤熔接机以后，

4、以下的步骤基本上都是自动进行。通过光纤纤芯对准确定光纤的位置，然后电极放电熔接光纤。最后是评估光纤熔接损耗。看起来熔接光纤是一件比较容易的事情，但实际上要想获得很小熔接损耗的光纤接头，还是有很多因素需要考虑。以下将有进一步的讨论。随着时间的推移、使用次数的增多，准备光纤的工具会逐渐有一些磨损，这将引起准备光纤的质量下降，导致坏的光纤端面和很差的熔接效果。为了避免不必要的停工时间，操作人员需要特地花时间来维护光纤切割刀等工具。同样，在熔接前操作人员需要了解熔接光纤的类型，以便选择具体的熔接程序。然而，光缆内光纤类型信息可能并不充分。为了避免尝试甄别正确的光纤参数，操作人员需要能在施工现场探测需熔

5、接的光纤类型。最后，操作人员离开施工现场的时候必须确保光纤熔接损耗在可接受的范围以内。许多熔接机都提供估计的光纤熔接损耗；然而，这种估计值通常只有在接头损耗实际很好的情况下才比较准确。操作人员需要可信赖的、能实际分辨是好熔接还是坏熔接的熔接损耗评估。下面本文将谈到光纤对准的基本方式。相关的技术和应用将被介绍，这将对以上提到问题有很好的解决方案。在“技术和应用”部分中，首先将介绍本地光注入和功率法测试熔接损耗的基本原理。然后，将解释相关的测量方法。在下面一节将展示这些技术的应用。最后，将介绍到对于具体施工中，使用人员通过技术改进得到哪些好处。所有的技术改进都要得益于光纤熔接机配备的双摄像头的视频

6、系统、非常精确的三维光纤对准系统和LID（本地光注入和探测）系统。光纤对准的基本方式目前市面上所有不同的熔接控制系统均基于三种最重要的技术：LID系统（本地光注入和探测）、CDS(纤芯探测系统)和PAS（侧像投影对准系统）。LID系统LIDSystemTM(即本地光注入和探测系统)通过光注入进行检测，这样以来就能提供如下的特性： 高精度的光纤纤芯对准 自动熔接时间控制AFCTM 真实熔接损耗的测试（功率法测试） 近场扫描自动进行光纤类型识别将1300nm波长的光通过左端的弯曲耦合发射器注入到光纤，在熔接点右端的弯曲耦合接收器接收。LIDSystemTM适用于所有外径为250mm的商用光纤，如果

7、采用尾纤耦合器该系统也可进行紧套尾纤的熔接。光纤1光纤 2微处理器熔接电弧发生器Fusion generatorxzzy注入接收图2 LID系统原理熔接过程中AFCTM系统不断的评估注入光的功率，当两端纤芯耦合对准最好、即检测端功率最大时，AFCTM自动中止熔接程序。将所有可能的影响因素如：光纤特性、电极情况和不断变化的环境（如湿度、海拔和温度等）情况都纳入考虑，这样在每个单独的熔接才能获得最低的熔接损耗。最大LID 水平传输功率最大.开始结束 熔接时间图3 自动熔接时间控制 AFC为保证真正精确的芯对芯光纤对准,光纤需要在X轴、Y轴方向上移动调整位置，以获得最大传输功率。只有通过这种方式就才

8、能确保得到最精确的芯对芯光纤对准。该方法过程简便，也非常有效。不需要复杂、精密的光学系统和任何形式的环境传感器。纤芯探测系统CDS类似于LIDSystemTM, CDSTM系统也是通过高精度的三维光纤纤芯对准来保证最低的熔接损耗。图4 CDS系统光纤图像不像LIDSystemTM通过光注入进行检测，CDSTM系统是通过在熔接过程中分析熔接区光纤纤芯的位置和形态的原理来进行熔接的。通过一个简短的电弧照亮光纤。由于掺杂的不同，光纤纤芯的亮度比光纤包层高得多。从X轴和Y轴两个方向的摄像机，获得精确的熔接区图像。熔接机的微处理器分析图像，得到光纤几何尺寸的数据。这样就能定义两端待熔接光纤三维形态的情况

9、，光纤的纤芯对准就是基于这些信息。如果光纤本身纤芯同心度较差导致一定的对准偏差，相应的引导程序能抵消自动定心效应的影响。熔接损耗评估时，光纤纤芯对准后的光纤偏差因素也在整个损耗评估计算中进行了考虑，优化了显示损耗值和真实损耗值之间的差别。LPASTM侧像投影对准系统侧像投影对准系统评估光纤端面的图像，该图像是由同时设置在X、Y轴两个光路上的两套摄像机提供。将图像数字化供分析，得到光纤位置、端面情况和污染物情况的信息。LPASTM侧像投影对准系统采用光纤端面的轮廓对比度进行光纤对准的控制。该轮廓包含了所有的光纤影像信息，包括光纤中央的影像、可能的损伤、光纤的偏移以及微小的污染物。光纤偏移图5在单

10、个方向的两根光纤端面的对比图采用交互关联的方法就可能将光纤位置通过影像轮廓的方式计算得更精确。举例来说，图像显示的是两条柱状的视频，然后需要将两端的影像轮廓叠加。采用交互关联的方法定义两端光纤的偏移量。熔接机将按该偏移量数据进行熔接前的光纤对准和熔接后的损耗估计。光纤偏移光纤位置图6 光纤影像轮廓康宁全系列的熔接机都采用LPASTM影像评估系统进行熔接前的预对准，并且该系统可自动补偿较差的光纤切面角度达2.50,这样以来就大大降低了光纤准备的返工率、提高了工作效率。熔接损耗评估对于光纤熔接损耗的评估，通常有两种方法。第一种是利用图像进行纤芯偏差的分析，特定的参数如纤芯的偏差、纤芯的翘曲度等就能

11、被定义。光纤熔接损耗就是利用以上参数通过一个经验公式进行计算后得出的。该技术无法覆盖所有熔接损耗的机理，毕竟它只用了少量的一些参数来进行熔接损耗推算。这种方法的短处是通常会导致对熔接损耗过于优化的估计，特别是在采用了错误的参数或实际损耗比较高的时候。因为该损耗值是基于参数估计的值，所以该方法叫熔接损耗估计法。采用本地光注入和探测技术（LID）才能实现直接和真实的熔接损耗测量。光从接头前端被注入进入光纤，然后从接头后端被探测到如图7所示。通常弯曲耦合器是用于提供简便的光纤放入和取出，采用特别的设计优化对光纤的应力和保护光纤不受损伤。图7 LID系统测量熔接损耗外部功率Pi,ext通过弯曲耦合器注

12、入光纤成为光纤内部功率Pi。通过光纤接头有一个损耗Ls,同时功率P0留在光纤内部。然后功率P0被弯曲耦合器耦合出光纤成为外部功率Po,ext。外部功率和内部功率按如下公式进行相关：通过功率耦合系数i 和o，熔接损耗通过内部功率计算。然而不可能来准确定义内部功率，虽然已知外部功率。这是因为不同涂层和颜色的功率耦合系数有很大的变化。要准确定义熔接损耗，就需要将功率耦合系数这一变化较大的参数从计算中去掉。这要求知道熔接点的损耗Lref。在两段未熔接光纤中间的空气间隙的损耗作为参考值（图8）。图8 测量时引入空气间隙损耗作为参考值在空气间隙很小而且光纤对准处于最大功率值的时候，有一个固定的值0.30d

13、B作为空气间隙的损耗值。空气间隙参考值在光纤熔接以前被测量，在这种情况下两端光纤已经是精确的对准了。外部输入功率Pi,ext在参考值测量和熔接损耗评估时是一样的。功率耦合系数i 和o也是不变的，因为在整个熔接过程期间光纤在弯曲耦合器中的位置是没有任何变化的。这意味着光纤内部功率Pi也是如图7不变的。只有外部接收功率如下因为Lr通常是不同于Ls。如果参考值是知道的，熔接损耗就可以进行如下的计算这意味着，如果已知参考值，熔接损耗可以通过探测到的外部功率Pr,ext和Po,ext进行定义。虽然看起来参考值是比较容易得到的，但实际上要实现高精度的熔接损耗测试还有几个问题需要解决。空气间隙的损耗主要取决

14、于以下几个参数：l 两端光纤的轴向角度l 光纤端面的切割角度l 光纤模场直径通过测量技术来定义这些参数的方法将在下面介绍。同时，也将在下面介绍参考值是怎样与这些参数相适应的。测量技术轴角度探测正如上面介绍到的一样，一种精确的测量轴向角度的方法对于定义参考值是非常重要的。轴向角度探测和后面将要介绍的切割角度探测是通过视频图像分析得出的。绝大多数普通熔接机已经具有的光路系统就是设计用于光纤位置探测。一个普遍的得到光纤图像的方法如图9所示。图9 将光纤图像投影到摄像机光纤图像投影到摄像机芯片上，微处理器从摄像机芯片上读出数据，进行图像分析。有两套同样的系统从两个直角交叉方向上获取图像信息，这样得到三

15、维的光纤数据信息。下面仅描述了X轴和Z轴的情况，Y轴的程序是一样的。最后角度和偏移量是通过Pythagoras定律进行计算。一个简单的获得光纤角度的方法如图10所示。光纤在X方向通过两个纵向位置测量。两列之间的距离定义为Z。X轴向的偏移定义为X。图10 简单的获得光纤角度的方法角度就可以通过如下公式计算该方法非常简单，但是存在一些缺点使它不适合用于精确的参考值推导。这些缺陷是：l 摄像机倾斜将被认为是光纤有偏角l 光路系统失真将导致错误，如直的光纤将被认为是弯曲的。这将影响到角度测试的精确度l 不均匀的光源会导致与光路系统失真同样的问题以上这些缺陷可以通过改变图像上的纵向测量位置的方式来减少。

16、要消除这些缺陷，直接的解决方案就是只采用一个纵向位置测量。图11 优化的测量轴向角度的方法光纤移动时经过单个纵向位置测量，而不是两个不同的纵向位置测量。移动的方向由设备设定，这样以来就避免了摄像机倾斜带来的影响。在X轴向的偏移量X可以通过光纤在位置1和位置2来测量。有了光纤移动的距离Z，那么角度的计算就是通过该项技术测量两端光纤的几个轴向角度。由于避免了光路系统失真，因此测量精度能够达到0.050。切割角度探测熔接损耗和熔接损耗的测量精度都是取决于光纤端面的质量，切割角度是主要的因素。目的是精确测量切割角度而不需要其他额外的硬件设备。正如前面所述，普遍光纤熔接机里的光路系统通常都是设计用于光纤

17、位置探测。受可见光波长范围内衍射效应的限制，光路系统的分辨率大约是1m。另外，所有光路系统都存在系统失真和轻微的光源不均匀的情况。但是，这并不影响光纤定位和图像损耗估算。一个直观的找到切割角度的方法就是在每个视频线上定义Z轴光纤端面的位置。光纤边沿通过该方法探测以后，切割角度就能通过计算相应的视频线角度得到定义。然而这种直接探测的切割角度要用于推导LID参考值就太不准确了。商用熔接机通常都配备比视频探测系统更精确的系统。但诀窍是用它作为切割角度的探测。多数熔接设备都有在熔接前对光纤位置进行高精度调整的机械系统。该机械系统用于光纤纤芯横向对准和熔接过程中光纤推进。光纤在Z轴方向上的移动是通过高精

18、度的激励器，如依靠压电陶瓷一类的装置。因此就能实现极小步距的移动（例如5nm,相对于光路系统分辨率是大约1m。）看起来这个精度是足够高了，那么怎样将它用于切割角度探测呢？解决方案是简单的，大体上可以通过三句话来说明。首先，光纤之间的间隙尽量的减小。然后，光纤之间的距离又慢慢增加。同时，光纤间隙之间光源射出的一点被监控。由于光纤端面微小间隙之间（大约3m）的衍射效应，光不能穿透间隙，虽然实际上光纤之间是没有物理接触的。因为这样的道理，图像上虚拟光纤长度就要比实际光纤长一些。图12显示了物理和虚拟光纤端面的情况。减少两端光纤之间的间隙，直到两端光纤接触在一起。在这种情况下，虚拟光纤重叠在一起。从光

19、纤间隙间投射的光强由两个探测窗口不断的检测。如果两端光纤物理接触在一起，其图像就类似于图13。需要提醒的是光纤物理端面是无法在该图像上看到的，仅能通过图13的图像进行描述。图13 光纤物理接触点光纤间的间隙已经不存在，这是因为虚拟光纤已经完全重叠在一起。探测窗口探测到可能的最暗亮度水平。光纤端面应该尽量的接近，但不要到达让光纤弯曲的程度。由于切割角度的原因，两端光纤的物理接触仅仅是一个点。该物理接触点见图13。光纤之间的距离现在逐步的增大。这需要超过可见光波长范围内光路系统的分辨率才能实现。当光纤端面间的距离逐步增大，两个探测窗口就开始发现光亮度。图14 探测窗口开始发现光亮度经过几步移动后，

20、间隙开始变得如图14所示，光开始穿透光纤间隙射到另一端。由于有光纤切割角度的存在，间隙不可能同时打开。开口处将是光纤端面距离最大的位置。当间隙完全打开时，就应停止光纤间隙延伸。这意味着如图15所示光完全穿透光纤间隙射到另一端。图15 光完全穿透光纤间隙在整个光纤间隙增大的过程中，两个探测窗口全程监控。当间隙完全打开后，将评估两个探测窗口的数据。抽样的亮度数据和两端物理光纤的距离有一个对应关系。图16 将两个窗口的亮度数据及其对应距离用图16描述。可以看到在距离为0m处，两个探测窗口的亮度都是一样不变的。大约在1.8m处窗口1的图像曲线开始显著向上变化。对于窗口1在该处，两端光纤的间隙开启。大约

21、在3.2m处窗口2的图像曲线开始显著向上变化。同样，这意味着对于窗口2在该处，两端光纤的间隙开启。光路系统可能会有光源不均匀的情况，产生不同的开始值。但实际上角度是通过斜度的变化来计算的，光源不均匀不会对测量精度产生影响。计算光纤切割角度的时候，需要窗口1和窗口2开启点距离和光纤纵向距离的数据。通过该方法是测量的两端光纤整个的切割角度。没有必要分别两端光纤各自的切割角度。因为该角度非常小，产生的误差可以忽略不记。该测量方法的精度是0.10。自动光纤类型识别有了两端光纤的轴向角度和光纤端面的切割角度，要得到前面提到的参考值，还需要有光纤模场直径的数据。虽然各种光纤的模场直径是不同的，但以下四种主

22、要光纤的类型还是能够区分的：l 色散位移光纤l 标准单模光纤l 多模50m光纤l 多模62.5m光纤对于单模和多模光纤有两种不同的探测方法。色散位移和标准单模光纤类型探测在光纤熔接前进行模场直径测量。当传输功率通过LID系统测量时，光纤的横向偏移量是变化的，一端光纤如图17横向偏移。图17 模场直径测量的方法如果光纤端面间的距离足够小，场强近似为高斯分布，即采用近场扫描法测量。按照单模光纤模场直径的定义，读出纤芯中场强分布曲线最大值1e处所对应的宽度，为模场直径。该方法是通常用于测量光斑尺寸，叫做横向偏移法3。多模光纤类型探测对于多模光纤如果采用上述的方法进行模场直径的测量，结果通常会是错误的

23、得到16m至30m的数值。因为多模光纤芯径很大如62.5m，与直径就没有多大的相关性。多模光纤的模场直径与光纤的稳定模场相关，这意味这光纤中功率在各种模式中交互平衡，当发散时，每个模都接收同样的功率。通过弯曲耦合器注入多模光纤不对称功率分布。结果功率注入每个模式的分布不同于稳定模场。由于光纤长度在LID光源注入端和光纤端面间的距离太短，无法实现模式在多模光纤纤芯中的满注入。因为没能实现满注入，传输功率在每个模式中的分布很大程度上会受耦合情况的影响，如光纤涂层颜色或纤芯位置。当采用与DS和SM光纤同样的光纤类型探测方式进行多模光纤测试时，该耦合情况高度相关将导致模场直径大范围的变动。要识别多模5

24、0m和多模62.5m光纤，就需要光纤更大横向的偏移量。因为多模光纤纤芯直径相对而言比波长大得多，在光纤纤芯外没有像SM光纤类似电磁场逐渐消失的区域4。因此功率是集中在纤芯直径内。这样以来大横向的偏移接收的传输功率就可用于识别不同的多模光纤（如图18）。图18 多模光纤类型探测对于50m光纤，传输功率在40m和60m区间将比62.5m光纤有大幅度的下降。测量技术的应用熔接过程优化除去用于参考值推导，测量的切割角度也用于优化熔接程序本身。两端光纤通过Z轴推进，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

25、度。当两端光纤推进到一起时就会发现，好像中间缺掉一块一样。如图19所示。由于存在切割角度Cl,那么就产生数量为Vm的中间玻璃体缺失。图19 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更多一点的光纤推进，来补偿中间玻璃体缺失。因此测量切割角度C1（首先用于推导参考值），然后采取相应的Z轴推进，到达最优化的熔接损耗。假定光纤直径为d，额外Z轴推进为zaf,对于中间玻璃体缺失部分的计算如下：同样，有由此可以得出，要补偿该缺失额外推进量大约为损耗测量优化为了对基于LID系统损耗测量所需参考

26、值进行推导，在理想状态下空气间隙间的损耗作为一个起始值。该理想状态意味着，两端光纤轴向平行、无任何偏移量，同时，光纤端面垂直于光纤轴向。该空气间隙损耗即为理想空气间隙损耗Lr,id。如果光线从有一定切割角度的光纤端面射出，该射出光线就与光纤轴向不在同一个方向。在光线射出方向和轴向之间的角度是由光纤切割角度和光纤折射率分布决定的。相同的，射出光线注入光纤是同样的角度，这样才实现最佳效率。结论是即使两端光纤轴向水平，但有一定切割角度，实际射出光纤和最理想的射出光纤还是有一个夹角。这将导致空气间隙损耗的增加。图20描述了同时考虑切割角度Cl和轴向角度ax的情况。图20 有效角度由切割角度和轴向角度构

27、成通常熔接光纤的两个端面都有不同的切割角度。但如果切割角度足够小，那么就可以将两端的角度定义为位于同一端。在这种情况下，发射和注入光线构成一个有效角度实际的光纤间隙损耗随着该有效角度变化。通过有效角度推导参考值，就引入修正损耗作为空气间隙损耗的补充。是LID系统的工作波长，w是测量光纤的模场直径。这样通过参考值，熔接损耗计算如下使用者能得到的益处这一节将总结使用者能从以上的技术中得到什么样的益处：l 自动探测熔接光纤的光纤类型；l 光纤熔接损耗降低；l 提高熔接损耗测量精度。光纤类型探测由于采用自动光纤类型探测，使用者就不用了解需熔接光纤的具体类型。熔接机自动选择最适合的光纤熔接参数进行熔接操

28、作。这样以来就能最小限度的减少使用者对熔接程序选择错误带来的影响。同时，也没有必要对熔接机使用者进行需熔接光纤的专业培训。另一个益处是光纤类型的识别是在熔接现场进行的，再也没有必要将光纤带到实验室进行类型识别。光纤熔接损耗降低在熔接过程中采用光纤切割角度补偿，结果是高熔接损耗（0.1dB）的坏接头减少60。图21显示的是不同熔接条件下的测试数据以上数据由80次熔接构成。其中62.5的熔接是采用偏心度较高（0.8m）的SM光纤,其余的都是普通商用SM光纤。在具体光纤切割时是三种不同阶段（全新、在使用和需要进行维护的切刀）的切刀轮流使用。看得出来通过切割角度补偿，熔接损耗有显著的降低。这样允许适当延长切刀的维护时间，以及避免了因为维修切刀不必要的耽误施工时间。提高熔接损耗测量精度通过修正LID熔接损耗测量参考值，能实现损耗测量的显著改善。图22 测量损耗偏离