技術(shù)分享｜不同種類(lèi)單模光纖熔接后的外觀(guān)和熔接質(zhì)量之間的關(guān)系（一）

  作者：趙麟(藤倉中國)

  摘要：

  本文探討了對不同種類(lèi)單模光纖進(jìn)行熔接的時(shí)候，所發(fā)生的外觀(guān)上和性能上的問(wèn)題。在長(cháng)距離通信網(wǎng)絡(luò )中，由于有時(shí)候需要混合使用不同種類(lèi)的G.655非零色散光纖，并將G.655光纖和標準的G.652光纖在配線(xiàn)架里面進(jìn)行熔接，所以不同種類(lèi)單模光纖進(jìn)行熔接的應用已經(jīng)存在了一段時(shí)間。近年來(lái)，由于通信網(wǎng)絡(luò )中新增了彎曲不敏感光纖(G.657) 以及低損耗純硅纖芯光纖(G.654) ，所以不同種類(lèi)單模光纖的熔接變得越來(lái)越普遍。在熔接不同種類(lèi)單模光纖的時(shí)候，經(jīng)常會(huì )在熔接機顯示屏幕上的光纖影像里面看到光纖熔接點(diǎn)上面存在豎直的陰影或者是線(xiàn)條。我們能夠解釋產(chǎn)生可見(jiàn)條紋的原因，并且對相關(guān)不同種類(lèi)單模光纖的熔接進(jìn)行光學(xué)表現以及強度信賴(lài)性方面的測試。

  關(guān)鍵字：光纖熔接，熔接損耗，不同種類(lèi)光纖，SMF，單模光纖，MFD，模場(chǎng)直徑，G.652，G.654，G.655，G.657，PAS，側面對準系統，纖芯對準，熔接機里面的氣泡，切割不良。

  1.引言

  現今不同種類(lèi)的單模光纖被頻繁混合使用于光纖網(wǎng)絡(luò )。這類(lèi)光纖所需的特性取決于種類(lèi)，例如1TU-T G.652 (“標準”SMF) ，G.653 (DSF)，G.655 (NZDS) 。近來(lái)，增加了適應彎曲不敏感需求的G.657，另外也有滿(mǎn)足G.654要求的光纖。各個(gè)廠(chǎng)家使用各種各樣的光纖構造和折射率分布來(lái)達到ITU的式樣要求。于是，根據網(wǎng)絡(luò )的需求大量不同種類(lèi)光纖的需要各自熔接，亦或是和傳統的G.652單模光纖進(jìn)行熔接。

  當兩個(gè)不同種類(lèi)單模光纖被熔接到一起的時(shí)候，在熔接機的顯示屏上面的熔接點(diǎn)上可能會(huì )出現可見(jiàn)的條紋。這就會(huì )給使用者帶來(lái)很多問(wèn)題和困擾，包括質(zhì)疑這類(lèi)熔接的損耗和信賴(lài)性。

  由于在熔接點(diǎn)上面的可見(jiàn)異?，F象(例如豎直的線(xiàn)條)會(huì )造成熔接機發(fā)生氣泡報警，和之前的問(wèn)題和困惑疊加在一起就變得更加復雜。因此如何辨別真實(shí)氣泡和豎直線(xiàn)條的差異，以及如何判定是一個(gè)真實(shí)的氣泡，亦或僅僅是熔接機影像內的可見(jiàn)瑕疵就顯得極其重要。

  2.討論熔接中發(fā)生的氣泡

  在對氣泡、其他的熔接瑕疵亦或是可見(jiàn)的異?，F象進(jìn)行討論的時(shí)候，有必要對影響熔接外觀(guān)以及影響實(shí)際的熔接損耗和熔接質(zhì)量的一些因素進(jìn)行考量。不常見(jiàn)的熔接外觀(guān)有可能會(huì )對熔接的損耗產(chǎn)生影響，也有可能不會(huì )產(chǎn)生影響。

  2.1 影響熔接外觀(guān)的因素

  一個(gè)實(shí)際存在的氣泡(在玻璃的內部造成了含有氣體的孔洞)或者在熔接的時(shí)候被嵌入到內部的污染物有可能會(huì )在熔接后的影像上面產(chǎn)生黑色的點(diǎn)。在有些情況下，類(lèi)似于在切割端面上的毛刺這樣的由切割產(chǎn)生的瑕疵有可能也會(huì )產(chǎn)生可見(jiàn)的黑點(diǎn)。在另外一些比較少的情況下，如果熔接機的放電功率過(guò)高或者過(guò)低，也會(huì )對熔接后的影像造成影響。近些年，隨著(zhù)不同種光纖熔接的廣泛運用，兩種光纖結構上的差異性會(huì )造成兩種光纖在熔接后，熔接后的光纖影像上面，熔接點(diǎn)的位置上產(chǎn)生可見(jiàn)的豎直線(xiàn)條。

  2.2 影響熔接損耗的因素

  纖芯對準不良

  氣泡或者是真實(shí)的熔接瑕疵

  左右兩邊光纖的模場(chǎng)直徑不同

  放電或者是加熱的參數不合適

  2.3 在熔接點(diǎn)的氣泡

  在熔接點(diǎn)內的黑點(diǎn)可能預示著(zhù)一個(gè)真實(shí)存在的氣泡。這樣的黑點(diǎn)也有可能是由于陷入到熔接后光纖內部的污染物亦或是在光纖表面的污染物所造成的。

  在有些情況下，如果在被熔接后光纖的切割端面上存在毛刺的話(huà)，這樣的切割瑕疵會(huì )在光纖熔接完成后，造成殘留在光纖表面的扭曲變形，并且這種情況同樣會(huì )造成在光纖影像中的黑點(diǎn)。

  在熔接影像上的黑點(diǎn)，一般來(lái)說(shuō)操作人員可以很容易地將其和熔接點(diǎn)上的豎直線(xiàn)條區分開(kāi)來(lái)。然而在某些情況下，在熔接點(diǎn)上的黑暗線(xiàn)條可能會(huì )在熔接機的上面造成氣泡報警。在下面的圖1左，顯示了一個(gè)真實(shí)存在的氣泡。在這個(gè)例子里面氣泡表現的十分明顯，在X和Y兩側的垂直攝像頭的影像中展現出非常大的不良，并且光纖的外觀(guān)形狀也被放大和扭曲了。

  圖1. 這兩張圖片展示了真實(shí)的氣泡和虛假的氣泡的例子，雖然熔接機的報警都是氣泡報警，但是左邊的多模光纖的真的氣泡會(huì )發(fā)生明顯的形變，而右邊虛假的氣泡只是在中間的位置存在明暗的豎線(xiàn)。

  在圖1右顯示的熔接影像也會(huì )使熔接機產(chǎn)生氣泡報警，但是并沒(méi)有實(shí)際的氣泡存在。在這個(gè)影像里面，黑暗的豎直線(xiàn)條足以使熔接機觸發(fā)氣泡報警。豎直線(xiàn)條是由兩種光纖在結構上的差異性所造成的。不是反映熔接損耗或者質(zhì)量的可信依據。在本篇論文之后的幾個(gè)章節里面，會(huì )對在許多不同種類(lèi)光纖熔接的時(shí)候產(chǎn)生可見(jiàn)豎直線(xiàn)條的現象進(jìn)行解釋。

  在圖1左展示的一個(gè)實(shí)際存在的氣泡非常大而且明顯。然而，它也有可能被顯示為僅僅是一個(gè)小的黑點(diǎn)。這樣的黑點(diǎn)一般來(lái)說(shuō)呈圓形，并且可能在X和Y兩側攝像頭的圖像上都可以看到，也可能僅僅在一側的攝像頭圖像上面。有些時(shí)候很難判斷這是一個(gè)真實(shí)存在的氣泡，還是僅僅是在光纖表面的微小而且無(wú)傷大雅的瑕疵。如果黑點(diǎn)在X和Y兩側的影像上都有顯示的話(huà)，造成瑕疵的位置就靠近光纖的纖芯，而且很有可能是一個(gè)真實(shí)的氣泡，或者是一些會(huì )造成損耗變大的不良。如果黑點(diǎn)僅僅顯示在一側的攝像頭影像上的話(huà)，就有可能是一個(gè)在光纖表面的不重要的瑕疵。在這種情況下，使用再次放電的功能可以幫助我們去判別黑點(diǎn)是真實(shí)存在的氣泡還是表面的瑕疵。在熔接完成之后再次追加放電的話(huà)，由真實(shí)存在的氣泡所造成 的的黑點(diǎn)因為陷入光纖內部的氣體受熱膨脹，一般情況下會(huì )被放大。如果像下面圖2所表示的那樣，黑點(diǎn)逐漸消失，那么黑點(diǎn)就是光纖表面的瑕疵，會(huì )伴隨著(zhù)光纖表面的再次融化而被消除。

  圖2.使用再次放電來(lái)判斷黑點(diǎn)是不是真實(shí)存在的氣泡

  3.本次研究所需光纖的選型

  為了進(jìn)行本次研究，我們選擇了三種不同的單模光纖，首先是標準的G.652.D光纖用來(lái)進(jìn)行同種光纖的熔接，以提供一個(gè)和不同種光纖熔接相比較的參考，然后是G.652.D和G.654.C，以及G.652.D和G.655.D，提供了兩種差異性很大的不同種光纖的熔接，G.654.C和G.652.D在折射率分布上面有著(zhù)很大的差異，但是模場(chǎng)直徑上的差異較小，G.655.D和G.652.D在折射率分布上的差異性較小，但是模場(chǎng)直徑上的差異較大。

  4.測試和分析的細節

  為了學(xué)習這三種不同種類(lèi)單模光纖的熔接組合，注明了光纖的模場(chǎng)直徑(MFD) 和折射率分布。在光纖被熔接之后，熔接的損耗和強度也進(jìn)行了測量。

  4.1 熔接前的光纖準備

  使用一般光纖熔接現場(chǎng)所使用的方法來(lái)準備光纖。這樣的話(huà)，光纖的強度就取決于操作人員的能力。

  在這次實(shí)驗當中，使用傳統的手持式剝除工具進(jìn)行光纖涂覆層的剝除。剝除后的光纖使用酒精浸泡的紙用手進(jìn)行擦拭。每次清潔光纖的時(shí)候都會(huì )使用新的擦拭紙。切割光纖使用的是普通的藤倉CT-30切割刀。

  4.2 光纖熔接

  為了將對芯錯誤所造成的熔接損耗的影響最小化，本次實(shí)驗中進(jìn)行熔接的設備是具有纖芯對準功能的熔接機。由于對芯方面所造成的影響已經(jīng)很低，熔接損耗的結果主要取決于進(jìn)行熔接的不同種光纖的特性上面的區別。

  為了能夠在對芯的精度上達到亞微米的級別，本次研究所使用的纖芯對準的熔接機配備了PAS技術(shù)(側面對準系統)。一個(gè)高質(zhì)量的PAS纖芯對準熔接機的對芯精度通常在0.1μm以?xún)然蛘吒?，基本上可以消?A href="http://joq5k4q.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e5%85%89%e7%ba%a4&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">光纖幾何形狀(纖芯對包層的偏心率)以及對芯錯誤，這兩大造成熔接損耗的因素。

  更多關(guān)于PAS熔接機光學(xué)分析系統的解釋和纖芯對準的方法在第6章會(huì )進(jìn)行描述。

  4.3 熔接結果測試

  為了能夠完全展示熔接結果的特性，不但會(huì )測量熔接的損耗還會(huì )測量熔接的強度。從光纖熔接機上的光學(xué)分析系統所得到的熔接光纖的影像也會(huì )被保存下來(lái)，以分析熔接后光纖的外觀(guān)和測量結果之間的聯(lián)系。

  4.3.1 測量熔接的損耗

  使用穩定的激光光源和光功率計來(lái)進(jìn)行熔接損耗的測量?？紤]到和測量光纖MFD的一致連貫性，所有熔接損耗的測量都使用1550nm的波長(cháng)。

  4.3.1 測量熔接的強度

  熔接強度的測量使用的是藤倉FSR-07的涂覆機，其配備完整的驗證試驗和拉力試驗的能力。熔接后的光纖會(huì )被盤(pán)旋纏繞然后直到拉斷，然后根據FOTP-28 [1]的測試方法計算拉力測試的應變率。

  4.4 測量光纖的特性

  為了便于理解熔接的結果，光纖的重要特性也會(huì )被測量。

  4.4.1 測量模場(chǎng)直徑

  如以下表1所示，每種光纖的MFD都進(jìn)行了測量。測量所使用的的設備是運用了光纖遠場(chǎng)測試技術(shù)[2]的Photon公司的LD8900 HDR。在這次實(shí)驗中MFD的測量使用了1550nm波長(cháng)的光源(安捷倫的穩定激光光源)。

  表1.在1550nm下的模場(chǎng)直徑測量

  4.4.2 測折射率分布

  測量折射率分布所使用的是IFA-100測量系統[3]。

  這套系統獨一無(wú)二的特性在于可以從光纖的側面橫切地測量折射率的分布(通過(guò)基于相位的技術(shù))，而不像折射率分布系統那樣使用近場(chǎng)折射測量技術(shù)需要連接切割后光纖的終端。

  由于IFA-100通過(guò)光纖的側面橫切的進(jìn)行測量，可以在光纖長(cháng)度上的任意點(diǎn)進(jìn)行測量。這就不僅僅使得捕捉任何所想要點(diǎn)的折射率分布成為可能，而且可以繪制整根光纖的折射率分布圖(通過(guò)測量很多個(gè)點(diǎn))。在這次實(shí)驗中，這項能力被應用在繪制從一邊光纖的熔接點(diǎn)到另一邊到另外一根光纖的折射率上。由于一些觀(guān)察到的現象是左右熔接光纖的折射率分布的不同所導致的，所以這項特性對于本次研究有非常顯著(zhù)的幫助。