光纤端面角对熔接损耗影响的研究

张济民 杨小光 张 伟

（中国电子科技集团公司第四十一研究所 电子测试技术国家重点实验室，山东 青岛266000）

0 概述

近年来，光纤通信发展迅速，由于其具有容量大、成本低和保密性好等诸多优点，已广泛应用在军事、互联网、金融、交通、环保、监控、医疗、文化及航天等各个领域。所有光纤通信工程的建设和维护，都是通过光纤熔接机等设备将一根根的光纤连接在一起，形成了巨大的光纤通信网络。 熔接损耗是评价光纤熔接质量好坏的一个重要参数，它直接决定着光纤通信网络的质量。 实际操作中，影响熔接损耗的因素较多，本文主要论述光纤端面角和熔接损耗之间的关系，并对因光纤端面角度因素导致熔接损耗增大的问题提出了解决办法。因此对减小熔接损耗、提高光纤熔接质量有着重要意义。

1 光纤熔接损耗

1.1 熔接损耗定义

光纤接续是光纤网络建设和维护中工程量大、技术要求最复杂的重要工序，其质量好坏直接影响光纤线路的传输质量和可靠性。 衡量接续质量的最重要指标是接续损耗，它是指光纤接续点产生的功率损失，公式如下：

式中：L 为接续损耗，Pi是输入功率，Po是经过接续点的输出功率。对于使用熔接机进行光纤热熔接续来说，L 即为熔接损耗。决定熔接损耗的因素分为两类：本征因素和非本征因素，分别进行分析。

1.2 本征因素

影响光纤熔接的本征因素是指光纤自身的因素，包括模场直径偏差、模场同心度误差、纤芯截面不圆等，其中，光纤模场直径偏差影响最大，估算公式如下：

式中：Lα是估计损耗值，ω1和ω2是左、 右两条待熔接的光纤的模场直径。 以光纤网络建设中应用最多的单模光纤为例进行分析，单模光纤国际标准ITU-T G.652 中规定的模场直径的范围是8.6μm～9.5μm， 假 设 待 接 续 的 两 条 单 模 光 纤 的 模 场 直 径 分 别 为8.6μm 和9.5μm，带入公式2 得到的熔接损耗约为0.043dB。

此外，标准的多模光纤、非零色散位移光纤、色散位移光纤的模场直径都允许一定的变化范围，当进行不同厂家光纤熔接时，由于模场失配造成的损耗影响还是很大的。

1.3 非本征因素

影响光纤熔接损耗的非本征因素主要是熔接技术，包括以下几个方面：

端面角：使用切割刀制备光纤端面时，光纤端面存在的倾角。熔接机屏幕上，光纤端面图像的边界线与屏幕中垂直直线的夹角即为光纤端面角。

轴心错位： 单模光纤纤芯很细，2 根对接光纤轴心错位会影响熔接损耗。

端面分离：待熔接的两条光纤端面间距过大，张力测试时可发现。

光纤倾斜：一般由于接续设备对准机构出现故障或操作不当造成的，待接续的两条光纤轴心不在同一条水平线上。

接续点附近的光纤物理变形： 光缆在架设过程中的拉伸变形，接续盒中夹固光缆的压力太大等，都会对熔接损耗产生影响。

图1 非本征因素示意图

1.4 降低熔接损耗途径

降低光纤接头处的熔接损耗，可以增加光纤中继放大传输距离或增加光缆富余度。因此，降低光纤的熔接损耗具有重要意义。从本征因素方面考虑，在光纤网络建设中，优先考虑使用同一品牌和型号的光纤。 从非本征因素方面考虑，轴心错位、端面分离、光纤倾斜和光纤物理变形可通过规范操作避免，端面角是客观存在的，优质切割刀的平均端面角≤0.8°，因此，端面角是决定熔接损耗的重要因素，下文将从理论和实验两个方面介绍熔接损耗和端面角之间的关系。

2 熔接损耗与端面角的关系

2.1 测试系统和数据

在熔接损耗测试中，通常采用剪断法。 光纤熔接损耗的测试原理与光纤衰减特性的检测原理类似，在不改变注入光的条件下通过功率计测量出经过某一定长度（大于2km）光纤后的功率值P1（λ），然后在整段光纤的约中间部分截断， 再用熔接机将截断的光纤接续起来，待功率稳定后，读取功率计值P2（λ），通过公式（1）可计算出该熔接点的损耗值。 具体测试方法见下图所示测试系统。

图2 损耗测试系统示意图

端面角与熔接损耗之间的关系非常复杂，目前没有准确的公式可供参考。 本文通过实验数据分析找出二者之间的关系，前提是必须统一实验条件，排除接续设备、测试仪器、环境、光纤本身因素的影响。本实验中使用的设备是中国电科第41 所AV6472 光纤熔接机和AV33012 光纤切割刀，测试仪器采用的是安捷伦公司的8163B 光源、功率计系统，分辨率高达0.001dB，光纤采用符合ITU-T G.652 标准的单模光纤，温度20～25℃，湿度45～55%RH，标准大气压。

由于光纤端面角难以预先确定，进行多次测试并记录左、右光纤平均端面角和熔接损耗的对应关系，详细数据见表1。

表1 端面角和熔接损耗对应关系

2.2 曲线拟合原理

为了从这些数据中找到其内在的规律性，即求得自变量和因变量之间吻合程度比较好的函数关系式，通常采用曲线拟合的方法，其原理有最小二乘法、契比雪夫法等，且以最小二乘法最为常见，原理如下：

设有实验数据（xi,yi）,i=1,2,…,n，寻找函数f(a,x)使得函数在点xi处的函数值与观测数据偏差的平方和达到最小。 即使得

式中，a 是待定的参数。

2.3 Matlab 实现

matlab 是一款功能强大的科学计算软件， 本文直接使用内部ployfit 函数实现曲线拟合，分别采用2 阶和3 阶拟合，程序如下：

x=[0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1];

y=[0.005 0.008 0.015 0.020 0.013 0.021 0.029 0.056 0.062 0.136];

[p2,s2] =polyfit(x,y,2)

[p3 ,s3]=polyfit(x,y,3)

y2=polyval(p2,x);

y3=polyval(p3,x);

figure(1)

plot(x,y,'ko',x,y2,'k',x,y3,'-.k');

legend(' 原始数据','2 阶曲线','3 阶曲线')

p2 和p3 分别是2 阶和3 阶多项式的系数，s2 和s3 是均方误差，y2 和y3 是多项式值，运行程序后得到的曲线如图3 所示。 s2=0.0388，s3=0.0224，因此3 阶多项式曲线吻合程度更好，最终的拟合曲线如公式4 所示：

图3 matlab 拟合曲线

3 改进措施

两端光纤通过轴向推进，从而靠近连接在一起。 该过程需要对光纤端面不平整或一些微小的缺陷进行补偿。如果两端光纤有比较大的切割角度，而需要连接，看起来在端面间就有一个角度。 如图4 所示。由于存在切割角度αCl，当两端光纤推进到一起时就会发现，连接处产生数量为Vm的中间玻璃体缺失。

图4 切割角度导致中间玻璃体缺失

在熔接过程中该缺失部分会引起玻璃体流动。这样的流动又会影响到光纤纤芯，并导致其弯曲，最终引起熔接损耗增大。那么减少该影响的办法就是增加光纤的推进，来补偿中间玻璃体缺失。 采用的改进措施具体如下：首先测量切割角度αC1（用于推导参考值），然后通过CPU 控制轴向电机，增加光纤的推进量，到达最优化的熔接损耗。假定光纤直径为d，额外轴向推进为Δzaf,对于中间玻璃体缺失部分的计算如下：

由此可以得出，要补偿该缺失额外推进量大约为：

4 改进后验证

采取改进推进量的方法后， 平均端面角≤1.0°时光纤的熔接损耗控制在0.04dB 以下，具体测试数据见下表2 所示。 在高标准光缆线路施工中，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0.02dB 及以下为优，光纤接头损耗在0.05dB 及以下为良，光纤接头损耗在0.05dB 到0.08dB 之间为合格。 通过改进熔接方法，对于光纤端面角度在1.0°以下的光纤熔接，熔接损耗可完全满足干线等高等级光缆线路施工要求。

表2 改进后端面角和熔接损耗数据

5 结语

本文介绍了光纤端面角度等因素对熔接损耗的影响， 并使用matlab 软件进行曲线拟合获得端面角与熔接损耗之间的对应关系。 然后根据端面角信息改变光纤熔接机熔接时的推进量，明显的减少了高熔接损耗光纤接头的产生。

［1］Characteristics of a single-mode optical fibre and cable，ITU-T Recommendation G.652.(06/2005)[Z].

［2］杨红颜.浅谈如何降低光纤的熔接损耗[J].光纤光缆的传输技术,2009(4)：44-46.

［3］汪禹. MATLAB 在曲线拟合中的应用[J].科技创新,2012(7)：8-9.