淺析光纖熔接損耗產(chǎn)生的原因及降低損耗的措施

摘 要：本文對產(chǎn)生光纖熔接損耗的各種本征和非本征因素進(jìn)行了詳細(xì)了分析，以模場直徑和軸芯錯(cuò)位為例，分析了各種影響因素引起的熔接損耗的變化；總結(jié)了降低光纖熔接損耗的措施，對施工人員實(shí)現(xiàn)光纖低損耗熔接具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：光纖；熔接損耗；產(chǎn)生原因；措施

Abstract：The intrinsic and non-intrinsic factors of splice loss for optical fiber are analyzed in this paper. With the mode field diameter and core axial offset as examples， analyses of the change of splice loss with the change of the mode field diameter or core axial offset； Finally， Measures for reducing the splice loss are summarized； these may be guides to get lower splicing loss.

key words：Optical Fiber；Splicing Loss；Cause Factor；Measure

1 引言

在光纖通信傳輸過程中，光纖損耗的高低直接影響到傳輸距離的遠(yuǎn)近以及光通信傳輸質(zhì)量，光纖損耗主要是由光纖自身的傳輸損耗和光纖接頭處的熔接損耗組成的。光纖自身的傳輸損耗與光纖的種類和成纜質(zhì)量有關(guān)，光纜一經(jīng)訂購，其光纖自身的損耗也基本確定。光纖接頭處的熔接損耗則與光纖本征因素造成的固有損耗及非本征因素造成的熔接損耗有關(guān)。文中以最常用的單模光纖為例， 分析了熔接損耗產(chǎn)生的原因， 總結(jié)了降低光纖熔接損耗的解決方法，對提高光纖熔接質(zhì)量，提高整個(gè)通信系統(tǒng)通信距離與信號質(zhì)量都有積極的意義。

2 影響光纖熔接損耗的因素分析

假設(shè)經(jīng)過光纖熔接點(diǎn)前輸入光功率為Pin，經(jīng)過熔接點(diǎn)后，輸出的光功率為Pout；熔接點(diǎn)損耗值為L，則可得出熔接點(diǎn)處損耗值為：L = 10×lg（Pout/Pin）。影響光纖熔接損耗的因素較多，大體可分為光纖本征因素和非本征因素兩類，以下分別對這兩種情況進(jìn)行分析。

2.1 光纖本征因素對光纖熔接損耗的影響

光纖本征因素是指由于光纖自身因素而造成的熔接損耗，主要有五點(diǎn)：

a）模場直徑不一致

單模光纖的模場直徑表征了光纖中傳輸?shù)膯文９夤β试跈M截面上的分布，它對光熔接損耗有著重要的影響。單從光纖模場直徑對光纖熔接損耗的影響，對于兩根模場直徑分別為D1和D2的單模光纖熔接損耗L1計(jì)算公式為：

L1 = 20×lg[（D1/2D2）+ （D2/2D1）] 公式1

公式1中，D1—發(fā)射光纖的模場直徑，D2—接收光纖的模場直徑

圖1 模場直徑失配比與熔接損耗關(guān)系圖

隨著光纖制造技術(shù)的提高，目前各國生產(chǎn)的單模光纖模場直徑偏差都控制在CCITT建議的標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，即（9～10）±10%um。但即使每根光纖的模場直徑都在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，假設(shè)一根被接光纖的模場直徑在標(biāo)準(zhǔn)的下限為9um，而另一根光纖的模場直徑在標(biāo)準(zhǔn)的上限為11um，兩根光纖的失配比達(dá)到22%，該兩種光纖進(jìn)行接續(xù)時(shí)，損耗大于0.2dB。光纖模場直徑失配比與光纖接續(xù)損耗之間的關(guān)系如圖1所示。

b）光纖芯徑失配

芯徑失配，當(dāng)光由較大的芯徑向較小的芯徑傳輸時(shí)，有一部分光在連熔接點(diǎn)處就會(huì)產(chǎn)生反射損耗等。根據(jù)有關(guān)研究實(shí)驗(yàn)表明，單模光纖中纖芯直徑相對失配達(dá)2%時(shí)，所產(chǎn)生的連接損耗約0.02dB。

c）纖芯與包層同心度不良

光纖熔接的關(guān)鍵是將光纖對準(zhǔn)而不是包層對準(zhǔn)。由于有的光纖同心度不良，在熔接時(shí)會(huì)出現(xiàn)僅包層對準(zhǔn)但纖芯未對準(zhǔn)的情況，此時(shí)熔接后的芯連接成彎折形或根本未接上，從而引起接頭熔接損耗。

d）光纖纖芯截面的不圓

光纖的纖芯不圓度直接影響對接光纖的纖芯定位，從而影響著光纖熔接損耗的大小。光纖纖芯截面的不圓度越差，熔接損耗會(huì)越差。

e）折射率失配

兩種光纖的折射率差失配時(shí)，在熔接點(diǎn)也會(huì)因折射率不匹配而產(chǎn)生損耗。相對于其他四個(gè)影響因素，折射率失配造成熔接損耗相對較小。

2.2 光纖非本征因素對光纖接續(xù)損耗的影響

光纖非本征因素主要是由于熔接方式、熔接工藝以及熔接設(shè)備功能的不完善引起的，主要包括軸心錯(cuò)位、軸心傾斜、端面分離以及端面質(zhì)量等因素，如圖2所示。

圖2 光纖非本征因素造成的損耗

光纖軸心錯(cuò)位 光纖軸心錯(cuò)位引起的接續(xù)損耗如圖2（a）所示，假設(shè)兩根光纖的軸心錯(cuò)位大小為，不考慮其它因素的影響，且兩根光纖的模場直徑完全匹配。則此兩根光纖進(jìn)行接續(xù)時(shí)所產(chǎn)生的損耗計(jì)算公式如下：

公式2

公式2中，x—軸心錯(cuò)位大小

d—光纖的模場直徑

對于工程中的光纖G652、G653以及G654光纖，軸心錯(cuò)位引起的接續(xù)損耗如圖3所示。從圖3中可見，同樣的軸心錯(cuò)位偏差，如果光纖的模場直徑越大，則熔接損耗越小。

光纖端面質(zhì)量 端面質(zhì)量的好壞直接影響到熔接損耗的大小，高質(zhì)量的光纖端面應(yīng)為平整的鏡面，無毛刺、無缺損并且與軸線垂直。端面質(zhì)量差會(huì)產(chǎn)生較大損耗，甚至出現(xiàn)氣泡。

光纖端面分離 光纖端面分離引起的熔接損耗如圖2（c）所示，假設(shè)兩根光纖端面分開的縱向距離為z，不考慮其它因素的影響，且兩根光纖的模場直徑完全匹配，則當(dāng)熔接機(jī)電弧放電電壓較低或者熔接推進(jìn)量不足時(shí)，產(chǎn)生端面分離Z越大，熔接損耗L（z）則越大。

圖3 光纖軸心錯(cuò)位與損耗關(guān)系曲線

光纖軸向傾斜 對于軸心傾斜，當(dāng)光纖軸向斜角α= 1°時(shí)，約產(chǎn)生0.6 dB的熔接損耗。要想熔接損耗控制在0.1dB的范圍內(nèi)，則單模光纖軸向傾角應(yīng)該控制在0.3°以內(nèi)，可見光纖軸向傾斜是影響熔接損耗的一個(gè)重要因素。光纖端面質(zhì)量差、熔接機(jī)的對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)受損、光纖壓腳或V型定位槽臟等因素都會(huì)造成熔接后的光纖軸向傾斜。

另外，光纖接續(xù)人員的操作水平、經(jīng)驗(yàn)水平、盤纖水平、熔接機(jī)中電極清潔程度、熔接參數(shù)設(shè)置、工作環(huán)境清潔程度等都是影響熔接損耗的重要因素。

3 降低熔接損耗的措施

針對本征因素中光纖模場直徑不一致、兩光纖芯徑不匹配和折射率失配等因素所引起的損耗，在同一條線路上盡量采用同一生產(chǎn)廠家、同一批次、同一型號的“三同”光纖。在工程建設(shè)和維護(hù)工作中，選擇模場直徑、纖芯直徑、折射率與同心度等特征一致性較好的光纖，因此，在熔接時(shí)可以盡可能減少其本征因素的差別性，從而使熔接損耗達(dá)到最小。

針對本征因素中纖芯與包層同心度不良和光纖纖芯截面的不圓等因素所引起的損耗，應(yīng)選用具備纖芯對準(zhǔn)功能的光纖熔接機(jī)進(jìn)行光纖對接，避免出現(xiàn)僅包層對準(zhǔn)但纖芯未對準(zhǔn)的情況，此時(shí)熔接后的芯連接成彎折形或根本未接上，而引起的熔接損耗。

對于非本征因素引起的損耗采用如下措施來降低熔接損耗。對光纖熔接時(shí)產(chǎn)生的軸心錯(cuò)位、軸心傾斜與端面分離等非本征損耗，應(yīng)做到正確使用光纖切割器與光纖熔接機(jī)來提高熔接質(zhì)量。光纖切割器屬于精密器械，除了按要求做日常的保養(yǎng)以使切割處于良好狀態(tài)外，切割光纖時(shí)要嚴(yán)格按照操作順序進(jìn)行，動(dòng)作要輕。制備好的端面應(yīng)垂直于光纖軸、端面平整無損傷、邊緣整齊、無缺損、無毛刺，符合熔接要求。正確使用熔接機(jī)是降低光纖熔接損耗的重要保證和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)光纖類型，合理設(shè)置熔接參數(shù)，并且在使用中和使用后及時(shí)清理熔接機(jī)的光纖定位機(jī)構(gòu)上的灰塵。每次使用前應(yīng)使熔接機(jī)在熔接環(huán)境中運(yùn)行至少15分鐘，在環(huán)境差別較大的地方，還必須做放電試驗(yàn)以使得放電電弧處于最佳狀態(tài)。

4 結(jié)束語

光纖接頭損耗對光纖線路的傳輸性能有著較大的影響， 降低光纖接頭損耗對提高其傳輸質(zhì)量有著重要意義。只要對光纖接頭熔接損耗的各種不良因素綜合采取合理措施， 可最大程度地降低熔接損耗。光纖光纜熔接是一項(xiàng)技巧性強(qiáng)、質(zhì)量要求高、細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ?，各個(gè)環(huán)節(jié)都要求操作者仔細(xì)觀察、周密考慮、規(guī)范操作。只有勤于總結(jié)和思考，通過不斷的動(dòng)手操作實(shí)踐，才能提高光纜接續(xù)質(zhì)量，降低接續(xù)損耗，從而使光纖通信系統(tǒng)的傳輸性能有良好的保證。

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作者簡介：尚守鋒，中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，233001。