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

  作者：趙麟(藤倉(cāng)中國(guó))

  摘要：

  本文探討了對(duì)不同種類(lèi)單模光纖進(jìn)行熔接的時(shí)候，所發(fā)生的外觀上和性能上的問(wèn)題。在長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)的G.652光纖在配線架里面進(jìn)行熔接，所以不同種類(lèi)單模光纖進(jìn)行熔接的應(yīng)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(jī)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條。我們能夠解釋產(chǎn)生可見(jiàn)條紋的原因，并且對(duì)相關(guān)不同種類(lèi)單模光纖的熔接進(jìn)行光學(xué)表現(xiàn)以及強(qiáng)度信賴(lài)性方面的測(cè)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(cè)面對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，纖芯對(duì)準(zhǔn)，熔接機(jī)里面的氣泡，切割不良。

  1.引言

  現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)”SMF) ，G.653 (DSF)，G.655 (NZDS) 。近來(lái)，增加了適應(yīng)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)廠家使用各種各樣的光纖構(gòu)造和折射率分布來(lái)達(dá)到ITU的式樣要求。于是，根據(jù)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(tǒng)的G.652單模光纖進(jìn)行熔接。

  當(dāng)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(jī)的顯示屏上面的熔接點(diǎn)上可能會(huì)出現(xiàn)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(xiàn)象(例如豎直的線條)會(huì)造成熔接機(jī)發(fā)生氣泡報(bào)警，和之前的問(wèn)題和困惑疊加在一起就變得更加復(fù)雜。因此如何辨別真實(shí)氣泡和豎直線條的差異，以及如何判定是一個(gè)真實(shí)的氣泡，亦或僅僅是熔接機(jī)影像內(nèi)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(duì)氣泡、其他的熔接瑕疵亦或是可見(jiàn)的異?，F(xiàn)象進(jìn)行討論的時(shí)候，有必要對(duì)影響熔接外觀以及影響實(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)的熔接外觀有可能會(huì)對(duì)熔接的損耗產(chǎn)生影響，也有可能不會(huì)產(chǎn)生影響。

  2.1 影響熔接外觀的因素

  一個(gè)實(shí)際存在的氣泡(在玻璃的內(nèi)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(nèi)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(jī)的放電功率過(guò)高或者過(guò)低，也會(huì)對(duì)熔接后的影像造成影響。近些年，隨著不同種光纖熔接的廣泛運(yùn)用，兩種光纖結(jié)構(gòu)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)的豎直線條。

  2.2 影響熔接損耗的因素

  纖芯對(duì)準(zhǔn)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(shù)不合適

  2.3 在熔接點(diǎn)的氣泡

  在熔接點(diǎn)內(nèi)的黑點(diǎn)可能預(yù)示著一個(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(nèi)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，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)上的豎直線條區(qū)分開(kāi)來(lái)。然而在某些情況下，在熔接點(diǎn)上的黑暗線條可能會(huì)在熔接機(jī)的上面造成氣泡報(bào)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(xiàn)的十分明顯，在X和Y兩側(cè)的垂直攝像頭的影像中展現(xiàn)出非常大的不良，并且光纖的外觀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(jī)的報(bào)警都是氣泡報(bào)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。

  在圖1右顯示的熔接影像也會(huì)使熔接機(jī)產(chǎn)生氣泡報(bào)警，但是并沒(méi)有實(shí)際的氣泡存在。在這個(gè)影像里面，黑暗的豎直線條足以使熔接機(jī)觸發(fā)氣泡報(bào)警。豎直線條是由兩種光纖在結(jié)構(gòu)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(jù)。在本篇論文之后的幾個(gè)章節(jié)里面，會(huì)對(duì)在許多不同種類(lèi)光纖熔接的時(shí)候產(chǎn)生可見(jiàn)豎直線條的現(xiàn)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(cè)攝像頭的圖像上都可以看到，也可能僅僅在一側(cè)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(cè)的影像上都有顯示的話，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(cè)的攝像頭影像上的話，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?nèi)ヅ袆e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，由真實(shí)存在的氣泡所造成 的的黑點(diǎn)因?yàn)橄萑?A href="http://3xchallenge.com/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">光纖內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)試和分析的細(xì)節(jié)

  為了學(xué)習(xí)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(qiáng)度也進(jìn)行了測(cè)量。

  4.1 熔接前的光纖準(zhǔn)備

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

  在這次實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，使用傳統(tǒng)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(cāng)CT-30切割刀。

  4.2 光纖熔接

  為了將對(duì)芯錯(cuò)誤所造成的熔接損耗的影響最小化，本次實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行熔接的設(shè)備是具有纖芯對(duì)準(zhǔn)功能的熔接機(jī)。由于對(duì)芯方面所造成的影響已經(jīng)很低，熔接損耗的結(jié)果主要取決于進(jìn)行熔接的不同種光纖的特性上面的區(qū)別。

  為了能夠在對(duì)芯的精度上達(dá)到亞微米的級(jí)別，本次研究所使用的纖芯對(duì)準(zhǔn)的熔接機(jī)配備了PAS技術(shù)(側(cè)面對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng))。一個(gè)高質(zhì)量的PAS纖芯對(duì)準(zhǔn)熔接機(jī)的對(duì)芯精度通常在0.1μm以?xún)?nèi)或者更低，基本上可以消除光纖幾何形狀(纖芯對(duì)包層的偏心率)以及對(duì)芯錯(cuò)誤，這兩大造成熔接損耗的因素。

  更多關(guān)于PAS熔接機(jī)光學(xué)分析系統(tǒng)的解釋和纖芯對(duì)準(zhǔn)的方法在第6章會(huì)進(jìn)行描述。

  4.3 熔接結(jié)果測(cè)試

  為了能夠完全展示熔接結(jié)果的特性，不但會(huì)測(cè)量熔接的損耗還會(huì)測(cè)量熔接的強(qiáng)度。從光纖熔接機(jī)上的光學(xué)分析系統(tǒng)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和測(cè)量結(jié)果之間的聯(lián)系。

  4.3.1 測(cè)量熔接的損耗

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

  4.3.1 測(cè)量熔接的強(qiáng)度

  熔接強(qiáng)度的測(cè)量使用的是藤倉(cāng)FSR-07的涂覆機(jī)，其配備完整的驗(yàn)證試驗(yàn)和拉力試驗(yàn)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(jù)FOTP-28 [1]的測(cè)試方法計(jì)算拉力測(cè)試的應(yīng)變率。

  4.4 測(cè)量光纖的特性

  為了便于理解熔接的結(jié)果，光纖的重要特性也會(huì)被測(cè)量。

  4.4.1 測(cè)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(cè)量。測(cè)量所使用的的設(shè)備是運(yùn)用了光纖遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)[2]的Photon公司的LD8900 HDR。在這次實(shí)驗(yàn)中MFD的測(cè)量使用了1550nm波長(zhǎng)的光源(安捷倫的穩(wěn)定激光光源)。

  表1.在1550nm下的模場(chǎng)直徑測(cè)量

  4.4.2 測(cè)折射率分布

  測(cè)量折射率分布所使用的是IFA-100測(cè)量系統(tǒng)[3]。

  這套系統(tǒng)獨(dú)一無(wú)二的特性在于可以從光纖的側(cè)面橫切地測(cè)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(tǒng)那樣使用近場(chǎng)折射測(cè)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(cè)面橫切的進(jìn)行測(cè)量，可以在光纖長(zhǎng)度上的任意點(diǎn)進(jìn)行測(cè)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(cè)量很多個(gè)點(diǎn))。在這次實(shí)驗(yàn)中，這項(xiàng)能力被應(yīng)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。由于一些觀察到的現(xiàn)象是左右熔接光纖的折射率分布的不同所導(dǎo)致的，所以這項(xiàng)特性對(duì)于本次研究有非常顯著的幫助。