提高光纖端面處理與熔接質量的技術探討

田國棟

（西安鐵路職業技術學院 電子信息系，西安 710014）

光纖接續技術是光纖應用領域中最廣泛、最基本的一項專門技術。無論是從事光纖通信研究、光纖和光纜生產還是光纜工程施工、日常維護都離不開光纖接續。接續光纖的方法主要分永久性的固定接續法和可拆卸的連接器連接法以及臨時性光纖接續3大類，其中固定接續法以熔接法為主。提高光纖熔接質量主要有光纖端面處理技術、光纖熔接技術和光纖熔接損耗的測量技術。

1 光纖端面處理技術

光纖端面處理也稱為端面制備或末端處理，技術工序主要包括光纖涂覆層的開剝和光纖切割兩個環節。端面質量直接影響光纖激光器的泵浦光耦合效率和激光輸出功率。通信光纖是圓柱形介質波導由纖芯、包層和涂敷層3部分組成，單模光纖的纖芯直徑僅為4μm～10μm，包層直徑為125 μm。經過處理的光纖端面必須是光滑平整的表面，否則會增大損耗。

1.1 光纖涂覆層的開剝技術

光纖涂覆層的開剝方法，要求操作方便，光纖表面不帶傷痕，以保障強度不下降。目前多使用光纖剝線鉗進行開剝，開剝光纖時左手拇指和食指捏緊光纖，所露長度為60mm～70mm，余纖在無名指和小拇指之間自然打彎以增加力度，剝線鉗應與光纖垂直，上方向內傾斜45°，然后用鉗口輕輕卡住光纖，右手隨之用力，順光纖軸向平推出去，整個過程如行云流水要自然流暢，一次成功。開剝的單模光纖長度為35mm～50mm， 用藥棉或無塵試紙沾上無水酒精將光纖擦拭干凈，露出白色透明的光纖包層。

1.2 光纖切割技術

切割光纖時，注意不要造成容易產生接續損耗的不完整性端面（端面傾斜、彎曲、粗糙）?？梢岳貌ＡУ奶匦詠砬袛喙饫w，切割玻璃時使其表面產生傷痕然后施加張力，通常就可以獲得平滑的切口，這是因為玻璃具有脆性，切割光纖時就是利用這種特性?，F在使用的電動超聲波光纖切割機，就是采用刀片劃出痕跡后再給光纖施加拉伸應力使其斷裂，所以能切出理想的光纖端面。光纖端面的傾斜角度對光纖接續損耗影響很大。由傾斜角起的損耗α為： α=1.3×10-2(n2ωφ/λ)2(dB)。 式中：n2為包層折射率、 Φ為因角度偏離引起熔接后軸心彎曲角度、λ為波長[2]。實踐證明使用各種不同的切割刀，得到的光纖端面傾斜角度不同。端面傾斜角度超過1°，熔接后的接續損耗會達到0.5 dB。使用高檔光纖切割機可以使端面傾斜角在0.5°以下，因此損耗可以忽略不計。表面的清潔和切割的時間應緊湊，已制備好的光纖端面不要放在工作臺上。移動光纖時要輕拿輕放，防止與其它物件擦碰以免損壞光纖端面。

2 光纖熔接技術

2.1 精心選擇光纖熔接機

光纖熔接機按技術發展水平分為5代機型，其中第3代微機控制的芯軸直視式熔接機和第3代自動熔接機是目前市場上的主力機型。為了減小光纖熔接損耗，第4代自動熔接機為首選機型。第4代自動熔接機特點是：

（1）可以對光纖進行自動對準、熔接和連接損耗檢測。

（2）具有熱接頭圖像處理系統。

（3）對熔接的全過程進行自動監測，攝取熔接過程中的熱圖像加以分析，判斷光纖纖芯的變形、移位、雜質和氣泡等與連接損耗有關的信息。因此能更全面、準確地估算出接頭損耗。

2.2 精心設計光纖熔接程序

第4代自動光纖熔接機啟動后首先選擇熔接程式，如果是進口自動光纖熔接機還要進行語言選擇。放置光纖是一個極為細致的工作，要保持周圍環境清潔，工作人員應身著工作服，兩手要保持干凈。輕輕打開防壓蓋及光纖夾具，小心翼翼將光纖由上而下放置于光纖夾具及V型溝槽中，并露出2mm～3mm查看光纖端面是否接近于電極棒處，切勿超過兩個電極棒之中線。精心設計光纖熔接程序如圖1，將光纖放置在第4代自動熔接機后，按下START鍵開始熔接，首先將左右兩側V型槽中光纖相向推進，在推進過程中會產生一次短暫放電，其作用是清潔光纖端面灰塵，接著會把光纖繼續推進，直至光纖間隙處在原先所設置的位置上，這時熔接機測量切割角度，并把光纖端面附近的放大圖像顯示在屏幕上，熔接機會在X軸Y軸方向上同時進行對準，并且把軸向、軸心偏差參數顯示在屏幕上，如果誤差在允許范圍之內就開始熔接。并在顯示屏上顯示熔接時間、熔接次數和熔接效果[5]。

圖1 光纖熔接程序

通過屏幕觀察熔接結果,熔接完成后機器會自動評估，并顯示當前熔接損耗，由于是估計值，若顯示在0.08 dB以上就必須重新制端面。在施工過程中可采用OTDR跟蹤監測結果，及時分析產生不良現象的原因，采取相應的改進措施。

2.3 精心保護光纖接頭部位

首先進行熔接處的強度篩選試驗,要想熔接部分長時間不斷裂，就應保證熔接點有一定耐機械強度的能力，甩掉低強度的接頭,這個方法就是在熔接后對光纖施加一定的張力試驗。張力試驗要在熔接機上進行，進口和國產熔接機的張力選擇值為200 g。張力試驗不合格的熔接點光纖會被拉斷,要切斷光纖重新接續。張力試驗合格的熔接點光纖不斷裂，對接頭進行補強國內外普遍采用光纖熱縮保護管（熱縮管）保護光纖接頭部位。熱縮管應在光纖開剝前穿入，嚴禁在端面制備后穿入。將預先穿置光纖某一端的熱縮管移至光纖接頭處，使熔接點恰好位于熱縮管中間，輕輕拉直光纖接頭，放入加熱器內加熱30 s，聚乙烯管收縮后緊套在接續好的光纖上，熱縮管內的不銹鋼棒，不僅增加了抗拉強度（承受拉力為1 000 g～2 300 g），同時也避免了因聚乙烯管的收縮而可能引起接續部位的微彎曲[3]。

3 光纖熔接損耗的測量技術

自動光纖熔接機顯示的接續損耗可能與真實損耗有值差別，使用光時域反射儀（OTDR）對熔接頭的損耗進行測量可以獲得光纖接頭的準確損耗值。

3.1 OTDR的工作原理

OTDR的入射光脈沖在線路中傳輸時會在沿途產生瑞利散射光和菲涅爾反射光,其中與光脈沖傳播方向相反的背向瑞利散射光將會沿著光纖傳輸到線路的進光端口，經定向耦合分路射向光電探測器，轉變成電信號，經過低噪聲放大和數字平均化，最后將處理過的電信號與從光源背面發射提取的觸發信號同步掃描在示波器上成為反射光脈沖。在光時域反射儀的顯示屏上可以很清楚地看到入射光脈沖、反射光脈沖、接頭點、斷裂點、故障點以及衰減分布曲線。

3.2 OTDR的參數選擇

OTDR的參數選擇包括：測試波長選擇、光纖折射率選擇、測試脈沖寬度選擇、測試量程選擇、平均化時間選擇。選擇測試波長，單模光纖只選擇1310nm或l550nm。由于l550nm波長對光纖彎曲損耗的影響比1310nm波長敏感得多，一般多選用1 550 nm波長。光纖折射率選擇在實際測試時若用1 310 nm波長，折射率一般選擇在1.4680；若用l550nm波長，折射率一般選擇在1.4685。測試脈沖寬度選擇設置的光脈沖寬度過大會產生較強的菲涅爾反射，會使盲區加大。較窄的測試光脈沖雖然有較小的盲區，但是測試光脈沖過窄時光功率肯定過弱，相應的背向散射信號也弱，背向散射信號曲線會起伏不平，測試誤差大。測試量程選擇OTDR的量程是指OTDR的橫坐標能達到的最大距離。測試時應根據被測光纖的長度選擇量程，量程是被測光纖長度的1.5倍比較好。平均化時間選擇一般來說平均化時間越長，測試精度越高。為了提高測試速度，縮短整體測試時間，測試時間可在0.5 min～3 min內選擇[1]。

3.3 OTDR的監測技術

加強OTDR的監測工作，確保光纖熔接質量。在整個接續工作中OTDR要進行4次監測：

（1）光纖熔接過程中對每一根光纖進行實時跟蹤監測，檢查每個熔接點的質量，及時發現達不到質量要求的熔接點并重新進行熔接。

（2）每完成一根光纖接續后，應把光纖余長盤留在盤留板槽道內，要求光纖有不小于10 cm的活動伸縮量，每次盤纖后，對所盤光纖進行監測以確定盤纖帶來的附加損耗忽略不計。

（3）光纜接頭盒封裝前對整盤光纜中的所有光纖進行監測，以查明確實無漏測和對光纖及接頭無擠壓。

（4）光纜接頭盒封裝后再對所有光纖進行最后檢測，確實保證封裝對光纖不產生附加損耗。OTDR的監測工作要從兩個方向測量，并求出這兩個結果的平均值，這樣就可以消除單向測量的誤差[4]。

4 結束語

保持光纖端面制作水平、提高光纖熔接質量的目的是盡量減小光纖接頭損耗。在高等級光纜線路施工中，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0.02 dB及以下為優，光纖接頭損耗在0.05 dB及以下為良，光纖接頭損耗在0.05 dB以上為差，包括熔接失敗、斷纖等。幾年來，為了提高高職院校學生的光纖熔接技能，主要從光纖端面處理技術、光纖熔接技術和光纖熔接損耗的測量技術3個方面進行專項訓練。通過不斷進行提高光纖端面處理與熔接質量的技術探討以及數千次的光纖熔接訓練和OTDR現場測試工作,可以將光纖熔接優良率達到94%以上。

[1]李立高. 光纖通信工程[M]. 北京：人民郵電出版社，2004：68.

[2]張克宇，等. 通信光纜線路維護與施工[M].北京：中國鐵道出版社，2001：95.

[3]胡 慶，張德民，劉世春. 通信光纜與電纜工程[M]. 北京：人民郵電出版社，2005：124.

[4]劉世春. 通信線路維護實用手冊[M]．北京：人民郵電出版社，2007：144.

[5]田國棟. 光纖通信技術[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，2008：160-161.