论文部分内容阅读
摘 要：本文对产生光纤熔接损耗的各种本征和非本征因素进行了详细了分析，以模场直径和轴芯错位为例，分析了各种影响因素引起的熔接损耗的变化；总结了降低光纤熔接损耗的措施，对施工人员实现光纤低损耗熔接具有一定的指导意义。
关键词：光纤；熔接损耗；产生原因；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
在光纤通信传输过程中，光纤损耗的高低直接影响到传输距离的远近以及光通信传输质量，光纤损耗主要是由光纤自身的传输损耗和光纤接头处的熔接损耗组成的。光纤自身的传输损耗与光纤的种类和成缆质量有关，光缆一经订购，其光纤自身的损耗也基本确定。光纤接头处的熔接损耗则与光纤本征因素造成的固有损耗及非本征因素造成的熔接损耗有关。文中以最常用的单模光纤为例， 分析了熔接损耗产生的原因， 总结了降低光纤熔接损耗的解决方法，对提高光纤熔接质量，提高整个通信系统通信距离与信号质量都有积极的意义。
2 影响光纤熔接损耗的因素分析
假设经过光纤熔接点前输入光功率为Pin，经过熔接点后，输出的光功率为Pout；熔接点损耗值为L，则可得出熔接点处损耗值为：L = 10×lg（Pout/Pin）。影响光纤熔接损耗的因素较多，大体可分为光纤本征因素和非本征因素两类，以下分别对这两种情况进行分析。
2.1 光纤本征因素对光纤熔接损耗的影响
光纤本征因素是指由于光纤自身因素而造成的熔接损耗，主要有五点：
a）模场直径不一致
单模光纤的模场直径表征了光纤中传输的单模光功率在横截面上的分布，它对光熔接损耗有着重要的影响。单从光纤模场直径对光纤熔接损耗的影响，对于两根模场直径分别为D1和D2的单模光纤熔接损耗L1计算公式为：
L1 = 20×lg[（D1/2D2）+ （D2/2D1）] 公式1
公式1中，D1—发射光纤的模场直径，D2—接收光纤的模场直径
图1 模场直径失配比与熔接损耗关系图
随着光纤制造技术的提高，目前各国生产的单模光纤模场直径偏差都控制在CCITT建议的标准之内，即（9～10）±10%um。但即使每根光纤的模场直径都在规定标准之内，假设一根被接光纤的模场直径在标准的下限为9um，而另一根光纤的模场直径在标准的上限为11um，两根光纤的失配比达到22%，该两种光纤进行接续时，损耗大于0.2dB。光纤模场直径失配比与光纤接续损耗之间的关系如图1所示。
b）光纤芯径失配
芯径失配，当光由较大的芯径向较小的芯径传输时，有一部分光在连熔接点处就会产生反射损耗等。根据有关研究实验表明，单模光纤中纤芯直径相对失配达2%时，所产生的连接损耗约0.02dB。
c）纤芯与包层同心度不良
光纤熔接的关键是将光纤对准而不是包层对准。由于有的光纤同心度不良，在熔接时会出现仅包层对准但纤芯未对准的情况，此时熔接后的芯连接成弯折形或根本未接上，从而引起接头熔接损耗。
d）光纤纤芯截面的不圆
光纤的纤芯不圆度直接影响对接光纤的纤芯定位，从而影响着光纤熔接损耗的大小。光纤纤芯截面的不圆度越差，熔接损耗会越差。
e）折射率失配
两种光纤的折射率差失配时，在熔接点也会因折射率不匹配而产生损耗。相对于其他四个影响因素，折射率失配造成熔接损耗相对较小。
2.2 光纤非本征因素对光纤接续损耗的影响
光纤非本征因素主要是由于熔接方式、熔接工艺以及熔接设备功能的不完善引起的，主要包括轴心错位、轴心倾斜、端面分离以及端面质量等因素，如图2所示。
图2 光纤非本征因素造成的损耗
光纤轴心错位 光纤轴心错位引起的接续损耗如图2（a）所示，假设两根光纤的轴心错位大小为，不考虑其它因素的影响，且两根光纤的模场直径完全匹配。则此两根光纤进行接续时所产生的损耗计算公式如下：
公式2
公式2中，x—轴心错位大小
d—光纤的模场直径
对于工程中的光纤G652、G653以及G654光纤，轴心错位引起的接续损耗如图3所示。从图3中可见，同样的轴心错位偏差，如果光纤的模场直径越大，则熔接损耗越小。
光纤端面质量 端面质量的好坏直接影響到熔接损耗的大小，高质量的光纤端面应为平整的镜面，无毛刺、无缺损并且与轴线垂直。端面质量差会产生较大损耗，甚至出现气泡。
光纤端面分离 光纤端面分离引起的熔接损耗如图2（c）所示，假设两根光纤端面分开的纵向距离为z，不考虑其它因素的影响，且两根光纤的模场直径完全匹配，则当熔接机电弧放电电压较低或者熔接推进量不足时，产生端面分离Z越大，熔接损耗L（z）则越大。 图3 光纤轴心错位与损耗关系曲线
光纤轴向倾斜 对于轴心倾斜，当光纤轴向斜角α= 1°时，约产生0.6 dB的熔接损耗。要想熔接损耗控制在0.1dB的范围内，则单模光纤轴向倾角应该控制在0.3°以内，可见光纤轴向倾斜是影响熔接损耗的一个重要因素。光纤端面质量差、熔接机的对准机构受损、光纤压脚或V型定位槽脏等因素都会造成熔接后的光纤轴向倾斜。
另外，光纤接续人员的操作水平、经验水平、盘纤水平、熔接机中电极清洁程度、熔接参数设置、工作环境清洁程度等都是影响熔接损耗的重要因素。
3 降低熔接损耗的措施
针对本征因素中光纤模场直径不一致、两光纤芯径不匹配和折射率失配等因素所引起的损耗，在同一条线路上尽量采用同一生产厂家、同一批次、同一型号的“三同”光纤。在工程建设和维护工作中，选择模场直径、纤芯直径、折射率与同心度等特征一致性较好的光纤，因此，在熔接时可以尽可能减少其本征因素的差别性，从而使熔接损耗达到最小。
针对本征因素中纤芯与包层同心度不良和光纤纤芯截面的不圆等因素所引起的损耗，应选用具备纤芯对准功能的光纤熔接机进行光纤对接，避免出现仅包层对准但纤芯未对准的情况，此时熔接后的芯连接成弯折形或根本未接上，而引起的熔接损耗。
对于非本征因素引起的损耗采用如下措施来降低熔接损耗。对光纤熔接时产生的轴心错位、轴心倾斜与端面分离等非本征损耗，应做到正确使用光纤切割器与光纤熔接机来提高熔接质量。光纤切割器属于精密器械，除了按要求做日常的保养以使切割处于良好状态外，切割光纤时要严格按照操作顺序进行，动作要轻。制备好的端面应垂直于光纤轴、端面平整无损伤、边缘整齐、无缺损、无毛刺，符合熔接要求。正确使用熔接机是降低光纤熔接损耗的重要保证和关键环节，根据光纤类型，合理设置熔接参数，并且在使用中和使用后及时清理熔接机的光纤定位机构上的灰尘。每次使用前应使熔接机在熔接环境中运行至少15分钟，在环境差别较大的地方，还必须做放电试验以使得放电电弧处于最佳状态。
4 结束语
光纤接头损耗对光纤线路的传输性能有着较大的影响， 降低光纤接头损耗对提高其传输质量有着重要意义。只要对光纤接头熔接损耗的各种不良因素综合采取合理措施， 可最大程度地降低熔接损耗。光纤光缆熔接是一项技巧性强、质量要求高、细致严谨的工作，各个环节都要求操作者仔细观察、周密考虑、规范操作。只有勤于总结和思考，通过不断的动手操作实践，才能提高光缆接续质量，降低接续损耗，从而使光纤通信系统的传输性能有良好的保证。
参考文献
[1] 邹建华.光纤横向错位损耗分析及应用研究[J].现代有线传输.2005.4.
[2] 王全宝.降低光纤熔接机熔接损耗方法研究[D].2012
[3] 石紅梅. 光纤熔接损耗分析 [J]. 大众科技.2012.5
作者简介：尚守锋，中国电子科技集团公司第四十一研究所，233001。
关键词：光纤；熔接损耗；产生原因；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
在光纤通信传输过程中，光纤损耗的高低直接影响到传输距离的远近以及光通信传输质量，光纤损耗主要是由光纤自身的传输损耗和光纤接头处的熔接损耗组成的。光纤自身的传输损耗与光纤的种类和成缆质量有关，光缆一经订购，其光纤自身的损耗也基本确定。光纤接头处的熔接损耗则与光纤本征因素造成的固有损耗及非本征因素造成的熔接损耗有关。文中以最常用的单模光纤为例， 分析了熔接损耗产生的原因， 总结了降低光纤熔接损耗的解决方法，对提高光纤熔接质量，提高整个通信系统通信距离与信号质量都有积极的意义。
2 影响光纤熔接损耗的因素分析
假设经过光纤熔接点前输入光功率为Pin，经过熔接点后，输出的光功率为Pout；熔接点损耗值为L，则可得出熔接点处损耗值为：L = 10×lg（Pout/Pin）。影响光纤熔接损耗的因素较多，大体可分为光纤本征因素和非本征因素两类，以下分别对这两种情况进行分析。
2.1 光纤本征因素对光纤熔接损耗的影响
光纤本征因素是指由于光纤自身因素而造成的熔接损耗，主要有五点：
a）模场直径不一致
单模光纤的模场直径表征了光纤中传输的单模光功率在横截面上的分布，它对光熔接损耗有着重要的影响。单从光纤模场直径对光纤熔接损耗的影响，对于两根模场直径分别为D1和D2的单模光纤熔接损耗L1计算公式为：
L1 = 20×lg[（D1/2D2）+ （D2/2D1）] 公式1
公式1中，D1—发射光纤的模场直径，D2—接收光纤的模场直径
图1 模场直径失配比与熔接损耗关系图
随着光纤制造技术的提高，目前各国生产的单模光纤模场直径偏差都控制在CCITT建议的标准之内，即（9～10）±10%um。但即使每根光纤的模场直径都在规定标准之内，假设一根被接光纤的模场直径在标准的下限为9um，而另一根光纤的模场直径在标准的上限为11um，两根光纤的失配比达到22%，该两种光纤进行接续时，损耗大于0.2dB。光纤模场直径失配比与光纤接续损耗之间的关系如图1所示。
b）光纤芯径失配
芯径失配，当光由较大的芯径向较小的芯径传输时，有一部分光在连熔接点处就会产生反射损耗等。根据有关研究实验表明，单模光纤中纤芯直径相对失配达2%时，所产生的连接损耗约0.02dB。
c）纤芯与包层同心度不良
光纤熔接的关键是将光纤对准而不是包层对准。由于有的光纤同心度不良，在熔接时会出现仅包层对准但纤芯未对准的情况，此时熔接后的芯连接成弯折形或根本未接上，从而引起接头熔接损耗。
d）光纤纤芯截面的不圆
光纤的纤芯不圆度直接影响对接光纤的纤芯定位，从而影响着光纤熔接损耗的大小。光纤纤芯截面的不圆度越差，熔接损耗会越差。
e）折射率失配
两种光纤的折射率差失配时，在熔接点也会因折射率不匹配而产生损耗。相对于其他四个影响因素，折射率失配造成熔接损耗相对较小。
2.2 光纤非本征因素对光纤接续损耗的影响
光纤非本征因素主要是由于熔接方式、熔接工艺以及熔接设备功能的不完善引起的，主要包括轴心错位、轴心倾斜、端面分离以及端面质量等因素，如图2所示。
图2 光纤非本征因素造成的损耗
光纤轴心错位 光纤轴心错位引起的接续损耗如图2（a）所示，假设两根光纤的轴心错位大小为，不考虑其它因素的影响，且两根光纤的模场直径完全匹配。则此两根光纤进行接续时所产生的损耗计算公式如下：
公式2
公式2中，x—轴心错位大小
d—光纤的模场直径
对于工程中的光纤G652、G653以及G654光纤，轴心错位引起的接续损耗如图3所示。从图3中可见，同样的轴心错位偏差，如果光纤的模场直径越大，则熔接损耗越小。
光纤端面质量 端面质量的好坏直接影響到熔接损耗的大小，高质量的光纤端面应为平整的镜面，无毛刺、无缺损并且与轴线垂直。端面质量差会产生较大损耗，甚至出现气泡。
光纤端面分离 光纤端面分离引起的熔接损耗如图2（c）所示，假设两根光纤端面分开的纵向距离为z，不考虑其它因素的影响，且两根光纤的模场直径完全匹配，则当熔接机电弧放电电压较低或者熔接推进量不足时，产生端面分离Z越大，熔接损耗L（z）则越大。 图3 光纤轴心错位与损耗关系曲线
光纤轴向倾斜 对于轴心倾斜，当光纤轴向斜角α= 1°时，约产生0.6 dB的熔接损耗。要想熔接损耗控制在0.1dB的范围内，则单模光纤轴向倾角应该控制在0.3°以内，可见光纤轴向倾斜是影响熔接损耗的一个重要因素。光纤端面质量差、熔接机的对准机构受损、光纤压脚或V型定位槽脏等因素都会造成熔接后的光纤轴向倾斜。
另外，光纤接续人员的操作水平、经验水平、盘纤水平、熔接机中电极清洁程度、熔接参数设置、工作环境清洁程度等都是影响熔接损耗的重要因素。
3 降低熔接损耗的措施
针对本征因素中光纤模场直径不一致、两光纤芯径不匹配和折射率失配等因素所引起的损耗，在同一条线路上尽量采用同一生产厂家、同一批次、同一型号的“三同”光纤。在工程建设和维护工作中，选择模场直径、纤芯直径、折射率与同心度等特征一致性较好的光纤，因此，在熔接时可以尽可能减少其本征因素的差别性，从而使熔接损耗达到最小。
针对本征因素中纤芯与包层同心度不良和光纤纤芯截面的不圆等因素所引起的损耗，应选用具备纤芯对准功能的光纤熔接机进行光纤对接，避免出现仅包层对准但纤芯未对准的情况，此时熔接后的芯连接成弯折形或根本未接上，而引起的熔接损耗。
对于非本征因素引起的损耗采用如下措施来降低熔接损耗。对光纤熔接时产生的轴心错位、轴心倾斜与端面分离等非本征损耗，应做到正确使用光纤切割器与光纤熔接机来提高熔接质量。光纤切割器属于精密器械，除了按要求做日常的保养以使切割处于良好状态外，切割光纤时要严格按照操作顺序进行，动作要轻。制备好的端面应垂直于光纤轴、端面平整无损伤、边缘整齐、无缺损、无毛刺，符合熔接要求。正确使用熔接机是降低光纤熔接损耗的重要保证和关键环节，根据光纤类型，合理设置熔接参数，并且在使用中和使用后及时清理熔接机的光纤定位机构上的灰尘。每次使用前应使熔接机在熔接环境中运行至少15分钟，在环境差别较大的地方，还必须做放电试验以使得放电电弧处于最佳状态。
4 结束语
光纤接头损耗对光纤线路的传输性能有着较大的影响， 降低光纤接头损耗对提高其传输质量有着重要意义。只要对光纤接头熔接损耗的各种不良因素综合采取合理措施， 可最大程度地降低熔接损耗。光纤光缆熔接是一项技巧性强、质量要求高、细致严谨的工作，各个环节都要求操作者仔细观察、周密考虑、规范操作。只有勤于总结和思考，通过不断的动手操作实践，才能提高光缆接续质量，降低接续损耗，从而使光纤通信系统的传输性能有良好的保证。
参考文献
[1] 邹建华.光纤横向错位损耗分析及应用研究[J].现代有线传输.2005.4.
[2] 王全宝.降低光纤熔接机熔接损耗方法研究[D].2012
[3] 石紅梅. 光纤熔接损耗分析 [J]. 大众科技.2012.5
作者简介：尚守锋，中国电子科技集团公司第四十一研究所，233001。