提高光纤端面处理与熔接质量的技术探讨

田国栋

（西安铁路职业技术学院 电子信息系，西安 710014）

光纤接续技术是光纤应用领域中最广泛、最基本的一项专门技术。无论是从事光纤通信研究、光纤和光缆生产还是光缆工程施工、日常维护都离不开光纤接续。接续光纤的方法主要分永久性的固定接续法和可拆卸的连接器连接法以及临时性光纤接续3大类，其中固定接续法以熔接法为主。提高光纤熔接质量主要有光纤端面处理技术、光纤熔接技术和光纤熔接损耗的测量技术。

1 光纤端面处理技术

光纤端面处理也称为端面制备或末端处理，技术工序主要包括光纤涂覆层的开剥和光纤切割两个环节。端面质量直接影响光纤激光器的泵浦光耦合效率和激光输出功率。通信光纤是圆柱形介质波导由纤芯、包层和涂敷层3部分组成，单模光纤的纤芯直径仅为4μm～10μm，包层直径为125 μm。经过处理的光纤端面必须是光滑平整的表面，否则会增大损耗。

1.1 光纤涂覆层的开剥技术

光纤涂覆层的开剥方法，要求操作方便，光纤表面不带伤痕，以保障强度不下降。目前多使用光纤剥线钳进行开剥，开剥光纤时左手拇指和食指捏紧光纤，所露长度为60mm～70mm，余纤在无名指和小拇指之间自然打弯以增加力度，剥线钳应与光纤垂直，上方向内倾斜45°，然后用钳口轻轻卡住光纤，右手随之用力，顺光纤轴向平推出去，整个过程如行云流水要自然流畅，一次成功。开剥的单模光纤长度为35mm～50mm， 用药棉或无尘试纸沾上无水酒精将光纤擦拭干净，露出白色透明的光纤包层。

1.2 光纤切割技术

切割光纤时，注意不要造成容易产生接续损耗的不完整性端面（端面倾斜、弯曲、粗糙）。可以利用玻璃的特性来切断光纤，切割玻璃时使其表面产生伤痕然后施加张力，通常就可以获得平滑的切口，这是因为玻璃具有脆性，切割光纤时就是利用这种特性。现在使用的电动超声波光纤切割机，就是采用刀片划出痕迹后再给光纤施加拉伸应力使其断裂，所以能切出理想的光纤端面。光纤端面的倾斜角度对光纤接续损耗影响很大。由倾斜角起的损耗α为： α=1.3×10-2(n2ωφ/λ)2(dB)。 式中：n2为包层折射率、 Φ为因角度偏离引起熔接后轴心弯曲角度、λ为波长[2]。实践证明使用各种不同的切割刀，得到的光纤端面倾斜角度不同。端面倾斜角度超过1°，熔接后的接续损耗会达到0.5 dB。使用高档光纤切割机可以使端面倾斜角在0.5°以下，因此损耗可以忽略不计。表面的清洁和切割的时间应紧凑，已制备好的光纤端面不要放在工作台上。移动光纤时要轻拿轻放，防止与其它物件擦碰以免损坏光纤端面。

2 光纤熔接技术

2.1 精心选择光纤熔接机

光纤熔接机按技术发展水平分为5代机型，其中第3代微机控制的芯轴直视式熔接机和第3代自动熔接机是目前市场上的主力机型。为了减小光纤熔接损耗，第4代自动熔接机为首选机型。第4代自动熔接机特点是：

（1）可以对光纤进行自动对准、熔接和连接损耗检测。

（2）具有热接头图像处理系统。

（3）对熔接的全过程进行自动监测，摄取熔接过程中的热图像加以分析，判断光纤纤芯的变形、移位、杂质和气泡等与连接损耗有关的信息。因此能更全面、准确地估算出接头损耗。

2.2 精心设计光纤熔接程序

第4代自动光纤熔接机启动后首先选择熔接程式，如果是进口自动光纤熔接机还要进行语言选择。放置光纤是一个极为细致的工作，要保持周围环境清洁，工作人员应身着工作服，两手要保持干净。轻轻打开防压盖及光纤夹具，小心翼翼将光纤由上而下放置于光纤夹具及V型沟槽中，并露出2mm～3mm查看光纤端面是否接近于电极棒处，切勿超过两个电极棒之中线。精心设计光纤熔接程序如图1，将光纤放置在第4代自动熔接机后，按下START键开始熔接，首先将左右两侧V型槽中光纤相向推进，在推进过程中会产生一次短暂放电，其作用是清洁光纤端面灰尘，接着会把光纤继续推进，直至光纤间隙处在原先所设置的位置上，这时熔接机测量切割角度，并把光纤端面附近的放大图像显示在屏幕上，熔接机会在X轴Y轴方向上同时进行对准，并且把轴向、轴心偏差参数显示在屏幕上，如果误差在允许范围之内就开始熔接。并在显示屏上显示熔接时间、熔接次数和熔接效果[5]。

图1 光纤熔接程序

通过屏幕观察熔接结果,熔接完成后机器会自动评估，并显示当前熔接损耗，由于是估计值，若显示在0.08 dB以上就必须重新制端面。在施工过程中可采用OTDR跟踪监测结果，及时分析产生不良现象的原因，采取相应的改进措施。

2.3 精心保护光纤接头部位

首先进行熔接处的强度筛选试验,要想熔接部分长时间不断裂，就应保证熔接点有一定耐机械强度的能力，甩掉低强度的接头,这个方法就是在熔接后对光纤施加一定的张力试验。张力试验要在熔接机上进行，进口和国产熔接机的张力选择值为200 g。张力试验不合格的熔接点光纤会被拉断,要切断光纤重新接续。张力试验合格的熔接点光纤不断裂，对接头进行补强国内外普遍采用光纤热缩保护管（热缩管）保护光纤接头部位。热缩管应在光纤开剥前穿入，严禁在端面制备后穿入。将预先穿置光纤某一端的热缩管移至光纤接头处，使熔接点恰好位于热缩管中间，轻轻拉直光纤接头，放入加热器内加热30 s，聚乙烯管收缩后紧套在接续好的光纤上，热缩管内的不锈钢棒，不仅增加了抗拉强度（承受拉力为1 000 g～2 300 g），同时也避免了因聚乙烯管的收缩而可能引起接续部位的微弯曲[3]。

3 光纤熔接损耗的测量技术

自动光纤熔接机显示的接续损耗可能与真实损耗有值差别，使用光时域反射仪（OTDR）对熔接头的损耗进行测量可以获得光纤接头的准确损耗值。

3.1 OTDR的工作原理

OTDR的入射光脉冲在线路中传输时会在沿途产生瑞利散射光和菲涅尔反射光,其中与光脉冲传播方向相反的背向瑞利散射光将会沿着光纤传输到线路的进光端口，经定向耦合分路射向光电探测器，转变成电信号，经过低噪声放大和数字平均化，最后将处理过的电信号与从光源背面发射提取的触发信号同步扫描在示波器上成为反射光脉冲。在光时域反射仪的显示屏上可以很清楚地看到入射光脉冲、反射光脉冲、接头点、断裂点、故障点以及衰减分布曲线。

3.2 OTDR的参数选择

OTDR的参数选择包括：测试波长选择、光纤折射率选择、测试脉冲宽度选择、测试量程选择、平均化时间选择。选择测试波长，单模光纤只选择1310nm或l550nm。由于l550nm波长对光纤弯曲损耗的影响比1310nm波长敏感得多，一般多选用1 550 nm波长。光纤折射率选择在实际测试时若用1 310 nm波长，折射率一般选择在1.4680；若用l550nm波长，折射率一般选择在1.4685。测试脉冲宽度选择设置的光脉冲宽度过大会产生较强的菲涅尔反射，会使盲区加大。较窄的测试光脉冲虽然有较小的盲区，但是测试光脉冲过窄时光功率肯定过弱，相应的背向散射信号也弱，背向散射信号曲线会起伏不平，测试误差大。测试量程选择OTDR的量程是指OTDR的横坐标能达到的最大距离。测试时应根据被测光纤的长度选择量程，量程是被测光纤长度的1.5倍比较好。平均化时间选择一般来说平均化时间越长，测试精度越高。为了提高测试速度，缩短整体测试时间，测试时间可在0.5 min～3 min内选择[1]。

3.3 OTDR的监测技术

加强OTDR的监测工作，确保光纤熔接质量。在整个接续工作中OTDR要进行4次监测：

（1）光纤熔接过程中对每一根光纤进行实时跟踪监测，检查每个熔接点的质量，及时发现达不到质量要求的熔接点并重新进行熔接。

（2）每完成一根光纤接续后，应把光纤余长盘留在盘留板槽道内，要求光纤有不小于10 cm的活动伸缩量，每次盘纤后，对所盘光纤进行监测以确定盘纤带来的附加损耗忽略不计。

（3）光缆接头盒封装前对整盘光缆中的所有光纤进行监测，以查明确实无漏测和对光纤及接头无挤压。

（4）光缆接头盒封装后再对所有光纤进行最后检测，确实保证封装对光纤不产生附加损耗。OTDR的监测工作要从两个方向测量，并求出这两个结果的平均值，这样就可以消除单向测量的误差[4]。

4 结束语

保持光纤端面制作水平、提高光纤熔接质量的目的是尽量减小光纤接头损耗。在高等级光缆线路施工中，光纤熔接质量的内控指标要高于设计指标。光纤接头损耗在0.02 dB及以下为优，光纤接头损耗在0.05 dB及以下为良，光纤接头损耗在0.05 dB以上为差，包括熔接失败、断纤等。几年来，为了提高高职院校学生的光纤熔接技能，主要从光纤端面处理技术、光纤熔接技术和光纤熔接损耗的测量技术3个方面进行专项训练。通过不断进行提高光纤端面处理与熔接质量的技术探讨以及数千次的光纤熔接训练和OTDR现场测试工作,可以将光纤熔接优良率达到94%以上。

[1]李立高. 光纤通信工程[M]. 北京：人民邮电出版社，2004：68.

[2]张克宇，等. 通信光缆线路维护与施工[M].北京：中国铁道出版社，2001：95.

[3]胡 庆，张德民，刘世春. 通信光缆与电缆工程[M]. 北京：人民邮电出版社，2005：124.

[4]刘世春. 通信线路维护实用手册[M]．北京：人民邮电出版社，2007：144.

[5]田国栋. 光纤通信技术[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2008：160-161.