光纖端面角對熔接損耗影響的研究

張濟民 楊小光 張 偉

（中國電子科技集團公司第四十一研究所 電子測試技術國家重點實驗室，山東 青島266000）

0 概述

近年來，光纖通信發展迅速，由于其具有容量大、成本低和保密性好等諸多優點，已廣泛應用在軍事、互聯網、金融、交通、環保、監控、醫療、文化及航天等各個領域。所有光纖通信工程的建設和維護，都是通過光纖熔接機等設備將一根根的光纖連接在一起，形成了巨大的光纖通信網絡。 熔接損耗是評價光纖熔接質量好壞的一個重要參數，它直接決定著光纖通信網絡的質量。 實際操作中，影響熔接損耗的因素較多，本文主要論述光纖端面角和熔接損耗之間的關系，并對因光纖端面角度因素導致熔接損耗增大的問題提出了解決辦法。因此對減小熔接損耗、提高光纖熔接質量有著重要意義。

1 光纖熔接損耗

1.1 熔接損耗定義

光纖接續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。 衡量接續質量的最重要指標是接續損耗，它是指光纖接續點產生的功率損失，公式如下：

式中：L 為接續損耗，Pi是輸入功率，Po是經過接續點的輸出功率。對于使用熔接機進行光纖熱熔接續來說，L 即為熔接損耗。決定熔接損耗的因素分為兩類：本征因素和非本征因素，分別進行分析。

1.2 本征因素

影響光纖熔接的本征因素是指光纖自身的因素，包括模場直徑偏差、模場同心度誤差、纖芯截面不圓等，其中，光纖模場直徑偏差影響最大，估算公式如下：

式中：Lα是估計損耗值，ω1和ω2是左、 右兩條待熔接的光纖的模場直徑。 以光纖網絡建設中應用最多的單模光纖為例進行分析，單模光纖國際標準ITU-T G.652 中規定的模場直徑的范圍是8.6μm～9.5μm， 假 設 待 接 續 的 兩 條 單 模 光 纖 的 模 場 直 徑 分 別 為8.6μm 和9.5μm，帶入公式2 得到的熔接損耗約為0.043dB。

此外，標準的多模光纖、非零色散位移光纖、色散位移光纖的模場直徑都允許一定的變化范圍，當進行不同廠家光纖熔接時，由于模場失配造成的損耗影響還是很大的。

1.3 非本征因素

影響光纖熔接損耗的非本征因素主要是熔接技術，包括以下幾個方面：

端面角：使用切割刀制備光纖端面時，光纖端面存在的傾角。熔接機屏幕上，光纖端面圖像的邊界線與屏幕中垂直直線的夾角即為光纖端面角。

軸心錯位： 單模光纖纖芯很細，2 根對接光纖軸心錯位會影響熔接損耗。

端面分離：待熔接的兩條光纖端面間距過大，張力測試時可發現。

光纖傾斜：一般由于接續設備對準機構出現故障或操作不當造成的，待接續的兩條光纖軸心不在同一條水平線上。

接續點附近的光纖物理變形： 光纜在架設過程中的拉伸變形，接續盒中夾固光纜的壓力太大等，都會對熔接損耗產生影響。

圖1 非本征因素示意圖

1.4 降低熔接損耗途徑

降低光纖接頭處的熔接損耗，可以增加光纖中繼放大傳輸距離或增加光纜富余度。因此，降低光纖的熔接損耗具有重要意義。從本征因素方面考慮，在光纖網絡建設中，優先考慮使用同一品牌和型號的光纖。 從非本征因素方面考慮，軸心錯位、端面分離、光纖傾斜和光纖物理變形可通過規范操作避免，端面角是客觀存在的，優質切割刀的平均端面角≤0.8°，因此，端面角是決定熔接損耗的重要因素，下文將從理論和實驗兩個方面介紹熔接損耗和端面角之間的關系。

2 熔接損耗與端面角的關系

2.1 測試系統和數據

在熔接損耗測試中，通常采用剪斷法。 光纖熔接損耗的測試原理與光纖衰減特性的檢測原理類似，在不改變注入光的條件下通過功率計測量出經過某一定長度（大于2km）光纖后的功率值P1（λ），然后在整段光纖的約中間部分截斷， 再用熔接機將截斷的光纖接續起來，待功率穩定后，讀取功率計值P2（λ），通過公式（1）可計算出該熔接點的損耗值。 具體測試方法見下圖所示測試系統。

圖2 損耗測試系統示意圖

端面角與熔接損耗之間的關系非常復雜，目前沒有準確的公式可供參考。 本文通過實驗數據分析找出二者之間的關系，前提是必須統一實驗條件，排除接續設備、測試儀器、環境、光纖本身因素的影響。本實驗中使用的設備是中國電科第41 所AV6472 光纖熔接機和AV33012 光纖切割刀，測試儀器采用的是安捷倫公司的8163B 光源、功率計系統，分辨率高達0.001dB，光纖采用符合ITU-T G.652 標準的單模光纖，溫度20～25℃，濕度45～55%RH，標準大氣壓。

由于光纖端面角難以預先確定，進行多次測試并記錄左、右光纖平均端面角和熔接損耗的對應關系，詳細數據見表1。

表1 端面角和熔接損耗對應關系

2.2 曲線擬合原理

為了從這些數據中找到其內在的規律性，即求得自變量和因變量之間吻合程度比較好的函數關系式，通常采用曲線擬合的方法，其原理有最小二乘法、契比雪夫法等，且以最小二乘法最為常見，原理如下：

設有實驗數據（xi,yi）,i=1,2,…,n，尋找函數f(a,x)使得函數在點xi處的函數值與觀測數據偏差的平方和達到最小。 即使得

式中，a 是待定的參數。

2.3 Matlab 實現

matlab 是一款功能強大的科學計算軟件， 本文直接使用內部ployfit 函數實現曲線擬合，分別采用2 階和3 階擬合，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(' 原始數據','2 階曲線','3 階曲線')

p2 和p3 分別是2 階和3 階多項式的系數，s2 和s3 是均方誤差，y2 和y3 是多項式值，運行程序后得到的曲線如圖3 所示。 s2=0.0388，s3=0.0224，因此3 階多項式曲線吻合程度更好，最終的擬合曲線如公式4 所示：

圖3 matlab 擬合曲線

3 改進措施

兩端光纖通過軸向推進，從而靠近連接在一起。 該過程需要對光纖端面不平整或一些微小的缺陷進行補償。如果兩端光纖有比較大的切割角度，而需要連接，看起來在端面間就有一個角度。 如圖4 所示。由于存在切割角度αCl，當兩端光纖推進到一起時就會發現，連接處產生數量為Vm的中間玻璃體缺失。

圖4 切割角度導致中間玻璃體缺失

在熔接過程中該缺失部分會引起玻璃體流動。這樣的流動又會影響到光纖纖芯，并導致其彎曲，最終引起熔接損耗增大。那么減少該影響的辦法就是增加光纖的推進，來補償中間玻璃體缺失。 采用的改進措施具體如下：首先測量切割角度αC1（用于推導參考值），然后通過CPU 控制軸向電機，增加光纖的推進量，到達最優化的熔接損耗。假定光纖直徑為d，額外軸向推進為Δzaf,對于中間玻璃體缺失部分的計算如下：

由此可以得出，要補償該缺失額外推進量大約為：

4 改進后驗證

采取改進推進量的方法后， 平均端面角≤1.0°時光纖的熔接損耗控制在0.04dB 以下，具體測試數據見下表2 所示。 在高標準光纜線路施工中，光纖熔接質量的內控指標要高于設計指標。 光纖接頭損耗在0.02dB 及以下為優，光纖接頭損耗在0.05dB 及以下為良，光纖接頭損耗在0.05dB 到0.08dB 之間為合格。 通過改進熔接方法，對于光纖端面角度在1.0°以下的光纖熔接，熔接損耗可完全滿足干線等高等級光纜線路施工要求。

表2 改進后端面角和熔接損耗數據

5 結語

本文介紹了光纖端面角度等因素對熔接損耗的影響， 并使用matlab 軟件進行曲線擬合獲得端面角與熔接損耗之間的對應關系。 然后根據端面角信息改變光纖熔接機熔接時的推進量，明顯的減少了高熔接損耗光纖接頭的產生。

［1］Characteristics of a single-mode optical fibre and cable，ITU-T Recommendation G.652.(06/2005)[Z].

［2］楊紅顏.淺談如何降低光纖的熔接損耗[J].光纖光纜的傳輸技術,2009(4)：44-46.

［3］汪禹. MATLAB 在曲線擬合中的應用[J].科技創新,2012(7)：8-9.