多芯光纖關鍵性熔接技術研究

［摘 要］ 利用長度為10 km的長距離傳輸七芯光纖模擬實際干路，對多芯光纖熔接技術進行了實驗研究，并通過傳輸性能測試分析進行了熔接參數(shù)優(yōu)化。實驗結(jié)果表明：多芯光纖的熔接質(zhì)量直接影響光纖傳輸損耗和串擾；熔接質(zhì)量受光纖端面的處理質(zhì)量、光纖重疊量、放電時間、電極間距等參數(shù)的綜合影響。實驗中通過程序控制多個熔接參數(shù)關聯(lián)性優(yōu)化，實現(xiàn)了典型值小于0.35 dB的低損耗七芯光纖熔接，且串擾小于-41 dB，可以更好地滿足工程干路鋪設的應用要求。

［關鍵詞］ 多芯光纖； 熔接損耗； 空分復用； 串擾

［中圖分類號］ TN252 ［文獻標識碼］ A

近些年來，信息傳輸量的需求呈指數(shù)增長，這推動著光纖傳輸向超大容量發(fā)展。目前單模光纖（single-core and single-mode fiber， SSMF）的傳輸容量已經(jīng)趨于香農(nóng)極限[1]，因此謀求其他途徑來提高光纖的傳輸容量具有重要意義與價值[2-3]。空分復用光纖是有效的解決方法之一，它通過空間與模式的多維度復用，實現(xiàn)在不增加鋪設光纜線數(shù)與應用場地的情況下成倍地提高傳輸容量[4-8]。早在1979年，日本研究人員就提出了多芯光纖（multi-core fiber， MCF）的理念，并給出了通過拉制多芯光纖實現(xiàn)空間多路復用的設計方案。它與傳統(tǒng)的SSMF相比，通過在包層中增加纖芯數(shù)量來實現(xiàn)信道數(shù)的成倍增加，且理論上每個纖芯是一致的，所以它們的通道衰減也應是一致的，這便可簡單快速地實現(xiàn)信息高容量傳輸[9-12]。然而MCF實際應用面臨著嚴峻的技術挑戰(zhàn)，一方面拉制工藝十分復雜，成本高昂；另一方面，由于在與SSMF相同的結(jié)構中引入了成倍的纖芯，這使得熔接難度大幅度提高。在實際工程應用中，謀求穩(wěn)定、低損耗的熔接技術是亟待解決的首要難題[13]。考慮到在光信號的傳輸過程中，不可避免地存在模式泄露問題，這使得包層內(nèi)的纖芯與纖芯之間的能量耦合，造成一定程度上的串擾影響[14]。因此結(jié)合工程應用對MCF熔接技術的需求，研究其熔接工藝及參數(shù)對熔點損耗、串擾等特性影響，對其未來發(fā)展具有重要意義 [15]。

1 熔接及測試實驗

1.1 熔接實驗

待測七芯光纖與實驗器材均為武漢長飛光纖光纜股份有限公司提供。光纖長度為10 km，其顯微鏡下的端面結(jié)構如圖1a 所示，光纖直徑為150 μm，芯間距為42 μm，并帶有mark芯標記。熔接設備為日本藤倉FSM-100P+型熔接機（圖1b）。首先在熔接前對光纖的端面作處理：使用剝纖鉗剝除涂覆層，用棉紗蘸無水乙醇單向反復擦拭裸纖，并使用切割刀對裸纖切割，盡可能使得到的光纖端面平整，無缺損和毛刺。接著將處理好的光纖置于熔接機的夾具中，通過熔接機內(nèi)置鏡頭攝取端面圖像，利用對準程序進行光纖的端面與側(cè)面對準，最后進行電弧放電，完成熔接。在熔接過程中調(diào)試熔接參數(shù)，研究熔接規(guī)律，在后續(xù)測試中，引入單模尾纖（圖1c ）輔助測量熔點損耗，并使用光功率計（圖1d）對優(yōu)化后的多熔點光纖傳輸作串擾評估。

1.2 測試實驗鏈路

熔接損耗測試實驗裝置如圖2所示，所使用的測試方法為后向散射法[7]，測試儀器為光時域反射計（optical time domain reflectometer， OTDR），它通過光纖中后向散射光信號測試得出光纖的損耗，并且能精確定位熔點的位置，讀出損耗值大小[8]。同時為了降低光纖連接頭與OTDR連接時的插入損耗影響，引入一段2 km標準G.652 SMF（圖1c）的尾纖，并利用扇入扇出復用器實現(xiàn)從MCF到SSMF的多通道-單通道轉(zhuǎn)換，將包層中的7根纖芯分出，便于測試每根纖芯的損耗。同時，為確保測試結(jié)果的準確度，在這里采用雙向OTDR法，記錄兩次的實驗結(jié)果并取平均值。

串擾測試實驗裝置則是在熔點檢測的基礎上設計，選用1550 nm的激光光源，通過兩個復用器連接待測光纖兩端，分出兩端的多根纖芯，便于后續(xù)使用光功率計測試各纖芯的鏈路損耗。通過對數(shù)據(jù)分析計算，得到串擾值[9]。實驗時先對10 km無熔點長距離待測光纖進行測試分析，而后分切光纖、熔接，并再對多熔點光纖進行測試，以形成多組關于熔點的前后對照，便于探究熔點對串擾的影響。在這里也對其作雙向檢測，記錄平均值進行分析。

2 熔接實驗優(yōu)化分析

2.1 光纖端面處理及結(jié)構對熔接損耗的影響

2.1.1 光纖切割角度影響 一般實驗時，常將切割角度的可接受范圍限定在2°，本實驗為了更精確的分析，將切割角度限定在1°內(nèi)，圖3為多次切割重復實驗的熔接損耗測試值。結(jié)果表明，光纖切割角度對熔接損耗有一定的影響，在對切割角度在0.5°內(nèi)的光纖作熔接時，測得的損耗變化幅度平穩(wěn)，但隨著切割角度變大，損耗也會增大。因此在實際應用中，光纖端面處理應盡量保證結(jié)構平整，并精確控制低角度切割，以提高熔接質(zhì)量。在實驗時通過改進光纖端面處理工藝，能有效實現(xiàn)低損耗熔接。

2.1.2 模場失配影響 模場失配是影響光纖熔接損耗的主要因素之一。對于SMF，當光纖的模場直徑差異極小時，模場失配的影響可忽略不計[16-19]。對于MCF而言，理論上各個纖芯是一致的，意即各個通道的衰減相同。根據(jù)上述理論，使用同批次的MCF作熔接，也會降低模場失配的影響。

圖4為使用同批次生產(chǎn)的同棒號光纖，對其分切后做原位熔接與混熔后測試得到的結(jié)果，為了簡化分析，將測試結(jié)果分為邊緣芯與中間芯兩部分。從圖中可以得出，不論是邊緣芯還是中間芯，作原位熔接可在最大程度上避免模場失配發(fā)生。圖中數(shù)據(jù)顯示，兩種熔接方式的損耗相差并不大，且考慮到在實際工程應用中，無法保證光纜埋線施工時進行原位熔接，因此要求光纖拉制過程中質(zhì)量均勻，以盡量削弱模場失配效應。對于不同棒號的光纖而言，應首選模場直徑相近的光纖做混熔，理論上也可以得到較佳的熔接效果[20]。

2.2 熔接參數(shù)優(yōu)化分析

實驗過程中，用10 km七芯光纖模擬工程應用場景，利用對準程序進行高精度熔接，提高熔接質(zhì)量，并通過改進光纖端面處理工藝及參數(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)單熔點損耗小于0.35 dB，以滿足應用要求。

2.2.1 光纖重疊量對熔接損耗的影響 圖5為光纖重疊量對熔接損耗的影響，重疊量指光纖端面之間相接觸后被擠壓的距離，理論上重疊量越大，兩光纖結(jié)合越緊密、熔接點的機械強度越好。為了保證熔接的抗拉強度，根據(jù)實際工程應用的經(jīng)驗，一般光纖重疊量的選取值為8～10 μm。測試結(jié)果表明，不論是中間芯或邊緣芯，損耗隨重疊量的不同，變化幅度很大。重疊量對熔接的影響巨大，8 μm時出現(xiàn)了最佳的損耗值。

2.2.2 放電時間對熔接損耗的影響

在光纖重疊量8 μm的基礎上優(yōu)化放電時間，實驗結(jié)果如圖6所示。放電時間對光纖熔接強度有一定的影響，在實驗時，放電時間低于2000 ms，常出現(xiàn)無法連接的情況；而高于6000 ms會造成嚴重的熔接點畸變。過高或者過低的放電時間，都會嚴重影響光纖的熔接質(zhì)量。從圖中也可以看出，在合理設定的放電時間內(nèi)，其對熔接損耗的影響也不盡相同，6000 ms的放電時間相對來說是個好的選擇。

2.2.3 其他參數(shù)對熔接損耗的影響 電極間隔對熔接損耗也是存在影響的，在優(yōu)化過程中常常出現(xiàn)熔點圖像形態(tài)報錯的情況，這是由于電極間隔的設置并不理想。電極間隔越近，放電區(qū)域越小；電極間隔越大，放電區(qū)域越大。過大的放電區(qū)域會出現(xiàn)熔點畸變，而過小的放電區(qū)域會造成熔接點松散的情況。因此要在優(yōu)化時，需不忘對熔接機的電極間隔進行微調(diào)。

3 串擾測試及分析

圖7為單通道的串擾隨熔點數(shù)目變化的示意圖，其計算方法為，將尾端光功率計的鏈路損耗測試值計作（i ≠ j ，i，j取1，2，…，7）與R（i-i），其中R（i-i）為纖芯i固有的傳輸損耗，則纖芯i與纖芯j的串擾XTi-j為：

XTi-j=R（i-j）-R（i-i）

實驗過程中，通過不斷對10 km光纖進行分纖處理，然后再進行熔接，來模擬實際工程應用光纜敷設時的傳輸情況。從圖中的數(shù)據(jù)上可以明顯看出，隨著熔點數(shù)目的增加，光纖的熔點增多，串擾逐漸增大，但其對串擾額外的影響并不大，仍在實際應用可接受范圍內(nèi)，因此本實驗對熔接質(zhì)量進行優(yōu)化后的結(jié)果，是符合預期的。

4 結(jié)論

本實驗使用長距離七芯光纖模擬實際干路應用，通過在實驗中設置熔接程序，對多個熔接參數(shù)的綜合優(yōu)化，降低熔接損耗，實現(xiàn)低損耗光傳輸。實驗結(jié)果表明，切割角度、放電時間、電極間隔、光纖重疊量等熔接參數(shù)對熔接質(zhì)量均產(chǎn)生較大影響，同時這些參數(shù)彼此也是相互影響，單個參數(shù)的優(yōu)化不易得到最佳的結(jié)果。通過熔接和光纖性能測試，一般情況下重疊量、放電時間分別為8 μm和6000 ms時熔接質(zhì)量較好，在條件允許情況下對光纖做原位熔接，并將光纖切割角度控制在0.5°以內(nèi)，可將熔接損耗典型值控制在0.35 dB以下，且芯間串擾小于-41 dB，符合低損耗傳輸條件，完全滿足多芯光纖干路鋪設要求。

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Research on Fusion Splicing Technology of Multi Core Fiber

DENG Xiaoyue1， YAO Yucheng1，SHENG Lei2，ZHANG Li2 ， LI Mincheng1，ZHANG Ze1（1 School of Science， Hubei Univ. of Tech.， Wuhan 430068， China;

2 State Key Laboratory of Optical Fiber and Cable Manufacture Tech.， YOFC， Wuhan 430073，China）

Abstract： The actual trunk multi-core fiber （MCF） splicing is studied by a 10-kilometer of 7-core fiber for long distance transmission and the splicing parameters are optimized by transmission performance test. The results show that the quality of MCF splicing affects both transmission loss and crosstalk. The splicing quality is influenced by end-face treatment， discharge intensity， discharge time， electrode spacing and other parameters. By aligning the fusion splicer controlled by the axis algorithm and optimization of the relevant splicing parameter， the low-loss 7-core fiber splicing is achieved. The typical value of splicing point loss can be less than 0.35dB and crosstalk can be less than -41dB， which can better meet the requirements of application for engineering wiring.

Keywords： multi core fiber; splicing loss; space division multiplexing; crosstalk

［責任編校： 閆 品］

［收稿日期］ 2023-03-09

［基金項目］ 湖北省重點研發(fā)計劃（2020AB002）

［第一作者］ 鄧曉月（1998-），女，湖北荊州人，湖北工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為光纖通信。

［通信作者］ 姚育成（1975-），男，山東蒙陰人，湖北工業(yè)大學副教授，研究方向為光電技術。