切割刀老化对单模光纤几何尺寸检测结果的影响

■何晨程 杨婧 宋海燕 刘振华 张鹏 许酣 宋静静　　（西古光通信有限公司 陕西 西安 710119）



切割刀老化对单模光纤几何尺寸检测结果的影响

■何晨程 杨婧 宋海燕 刘振华 张鹏 许酣 宋静静（西古光通信有限公司 陕西 西安 710119）

摘 要：光纤几何尺寸是单模光纤的重要性能参数，目前国内的光纤工厂一般采用专门的光纤几何尺寸检测设备进行该方面的检测。在对光纤检测前，必须用专门的光纤切割刀对光纤端面进行处理。几何尺寸的测试结果关系到光纤的品质以及前道拉丝工序的生产工艺调整。由于切割刀对光纤端面的处理效果直接影响几何尺寸的测试结果，因此，研究切割刀老化对端面处理的影响，提高几何尺寸测量准确性及稳定性，对提高光纤测试精度、指导光纤拉丝进行工艺调整，具有非常现实的意义。

关键词：切割刀 cutter 几何尺寸 geometry dimension 端面end face 准确性 accuracy 稳定性 stability

0 引言

随着光通信行业的快速发展，光纤制造厂商越来越重视光纤生产中的各项性能指标控制。光纤几何尺寸作为最基本的性能参数，除了对光纤的光学传输、机械性能有一定影响外，更重要的是它对于光纤的连接损耗起着决定性作用。

在国标GB/T 9771.3-2008中，规定用来表征光纤尺寸的特征参数是：1310nm模场直径、包层直径、芯/包同心度误差、包层不圆度、涂覆层直径、包/涂同心度误差等。测试这些项目的方法（原理）有远场光可变孔径法、近场光分布法、折射近场法、俯视法、传输近场法等。借助这些测量方法，可对光纤玻璃的几何尺寸参数进行单项测量，也可对多项同时进行测量。其中，远场光可变孔径法、近场光分布法是目前光纤几何尺寸测试设备采用比较广泛的测试方法。

在进行几何尺寸测试前，必须先用专门的光纤切割刀将待测光纤端面处理（切割）后，配合检测设备专用夹具，才可以进行几何尺寸测试。切割刀处理后的光纤端面需达到无畸变、边缘齐整、无破损，才可以得到最准确的测试效果。如果光纤端面处理不佳，产生比较大的形变、破损，会导致错误的几何尺寸计算结果，并直接影响到光纤的相关性能以及拉丝过程中的工艺调整。

因此，研究切割刀对几何尺寸检测结果的影响，以及如何进一步提高光纤切割刀对光纤端面的处理质量，对于光纤生产是必要且具有现实意义的。

1 切割刀对光纤端面处理的影响因素

切割刀在处理光纤端面时，刀刃与光纤相接触的切点位置会产生一个径向侧压力，该侧压力与作业员的操作方式、刀刃在该点的接触面积均有关系。

由于石英玻璃属于脆性材料, 虽然具有微塑性, 但它的屈服延伸阶段非常小, 特别是在受到突然施加的负荷时,玻璃内部的质点来不及作出适应性的变形流动, 就会相互分裂、立即破裂。当切割刀出现钝化、磨损时，会加大与光纤接触部分的包层玻璃破损程度，严重时会影响到几何尺寸测试结果，这是本文主要探讨的问题。

近年，随着光通信事业的蓬勃发展，国内各家光纤公司、研究所也开始涉及光纤切割刀的研发、生产这个新的领域。经过近几年的发展，已经出现了多种不同类型的国产切割刀。但由于国内在这方面的技术研发仍比较薄弱，市面上国产切割刀大多还是以仿制、改进国外切割刀为主。虽然价格相对低廉，但依据我司近年使用情况来看，国产切割刀在使用寿命、端面处理效果、刀具装配精度这3方面上，与国外原装刀具还是有一定的差距。目前国内主流的进口切割刀主要来自美国、日本两地，比如日本的藤仓、住友，美国约克等品牌。这种现象与光纤光缆行业在世界地区的发展分布也是相符的

下文中，我们将以美国约克品牌的FK-11切割刀与日本藤仓CT-30切割刀为例，探讨切割刀在不同状态下对光纤端面处理效果的差异，以及对几何尺寸测试结果的影响。

2 切割刀对于模场直径测试结果的影响

模场直径(MFD--Mode Field Diameter)的定义：

简单来说，模场直径就是光在光纤中强度分布场的直径。它用来表征在单模光纤的纤芯区域附近，基模光的分布状态。

基模在纤芯区域轴心线处光强最大，并随着偏离轴心线的距离增大而逐渐减弱。一般将模场直径定义为光强降低到轴心线处最大光强的1/(e^2)的各点中两点最大距离，即0.135倍轴心光强分布的光斑所组成圆的直径，称之为模场直径。

试验切割刀：分别用一台新的FK-11切割刀与一台刀头磨损严重的旧FK-11切割刀进行试验比对。

检测设备：美国PK公司的检测设备

测试方法：远场光可变孔径法。

根据GB/T 15972.45-2008关于光纤模场直径测试方法的介绍，对模场直径的检测分为两个步骤：

1.首先测量出透过不同尺寸的孔径光阑的远场辐射光功率；

2.光信号采集、检测系统将接收到的光强远场数据，经过数学程序，计算出模拟圆的模场直径。

图1 美国约克公司FK-11切割刀刀头

图2 长期使用下的FK-11刀头磨损程度

对比过程：

a.比较新/旧切割刀处理端面的不同效果

用新的FK-11切割刀刀头对端面进行切割，效果如下

图3 新切割刀头处理的端面效果

从图像上来看，光纤包层与刀刃接触点所受的破损非常小。这是由于新刀的刀刃相对更为锋利，切割时接触面积更小，在相同力量的作用下，切点的压力强会大很多。根据玻璃的脆性特征，玻璃在尚未来得及向四周延展开微裂纹时，切割刀切入的深度以及切割刀向前推进的推力，已经使包层玻璃达到了断裂的临界值。因此断开后，切口部分产生的破损范围很小。

用旧切割对端面进行处理，效果如下

图4 接触面破损延伸未达到芯层　

图5 接触面破损延伸未达到芯层

由于刀刃整体已经钝化，切口位置玻璃破碎严重，且裂纹向内延伸。图4所示端面处理效果，由于裂纹伸尚未延伸到光纤的芯层位置，根据模场直径的定义，对于测试结果影响相对较小。但图5所示，微裂纹沿轴向向内（芯层）延伸，已经到达芯层附近，如下图。

b：用新/旧切割刀处理同一根光纤，比较1310nm模场直径测试差异

光纤：外检标定光纤 (模场直径 9.21微米)

方法：两把刀分别进行6次测试，每次测试前均重新处理光纤端面。

表1 新刀与旧刀对1310nm模场直径测试结果的比较（单位：μm）

从测试结果来看，新切割刀处理的端面，测试值比较稳定且与与标准光纤标定值基本一致，而未经调整的旧切割处理的端面，6次测试值的跳动非常大。

原因分析：

光信号在光纤中是沿芯包边界组成的光通道（光学波导）采用全反射的方式传播的，光能量不完全集中在纤芯中传输，部分能量会在包层中传输。

图6 光信号在芯包界面全反射传播示意图

图7 模场直径的拟合圆场强分布

从端面图像上来看，刀面钝化的旧切割刀处理端面时，切口附近玻璃破损面积较大，微裂纹都比较深，如果微裂纹未延伸至芯包边界附近（如图4），由于未破坏波导完整性，所以并未对测试结果造成明显影响，这是个别测试值接近标准值得原因。

但是，当裂纹延伸至纤芯/包层交界处时，已经破坏了光纤端面的光学波导完整性（如图5）。当光信号传递到端面时，不再以全反射形式传播，有一部分光信号会从遭到破坏的芯层缺口位置辐射出，即由传导模变为辐射模。这种现象严重影响光能量分布的均匀性。此时透过孔径光阑，由光接收器所接收到的远场光功率也不再准确。将这种模场直径的计算结果应该会出现偏差。

而检测人员在使用这样的切割刀处理端面时，为了测试准确，不得不多次处理端面，以求达到相对良好的效果。这样的切割刀已经无法满足检测要求，必须马上调整或者更换刀头。

3 模场直径对光纤性能的影响——对接损耗

光通信系统在现场铺设中，为了实现不同模块、设备和系统之间连接的需要，需要将不同的光纤进行对接。其中固定连接多采用熔接机熔接的方式进行对接。如果对接的两根光纤模场直径差异过大，即模场不匹配，很有可能造成大的对接损耗，对光信号在线路中的传输造成不良影响。

为更多了解不同模场直径对于接续的影响，在2015年中旬，我司光纤工艺科和质检中心合作，进行了专门的对接损耗差异试验。从现象上来看，当对接的两根光纤模场直径差异较大时，在熔接点会出现明显的不连续点（对接损耗点）。

熔接机：日本古河S-187A光纤熔接机

OTDR：加拿大EXFO FTB-500 OTDR

光纤：分别挑选模场直径分别为9.3μm左右和8.8μm左右的光纤。

测试方法：熔接机将两根光纤熔接后，用OTDR分别从两端测试，确认对接损耗。

图8 光纤熔接图片

图9 光信号由低模场向高模场传播时的对接损耗

图10 光信号由高模场向低模场传播时的对接损耗

由对接损耗试验来看，当光信号由低模场向高模场传播时，熔接处的对接损耗为-0.225dB，由高模模场向低模场传播时，熔接处对接损耗为0.357dB。

光纤熔接损耗的计算公式：

P损耗=丨P正向+P反向丨/2

上述熔接损耗为丨-0.225+0.357丨/2=0.066dB，附加损耗偏大。

需要注意的是，此次试验所选择的光纤均为模场直径合格的光纤！即使是这样，仅仅因为模场直径差异比较大，就出现了对接损耗偏大的现象。光缆供应方在发往客户的的光缆中，如果涉及模场直径匹配要求，必须提供其中每根光纤的模场直径，避免客户在施工熔接过程中出现对接不良，接续损耗过大的现象。

4 切割刀对于其他几何尺寸检测结果的影响

对于其他几何尺寸参数（包层直径、芯/包同心度误差、包层不圆度、涂覆层直径、包/涂同心度误差等），我司检测设备采用近场光分布法（灰度法）对其进行测试。由于测试方法的关系，切口位置玻璃损伤程度对检测结果的影响更为明显。

此次试验我们选择藤仓CT-30切割刀，该切割刀刀片是圆形刀片，等分为16个扇区，并分别用数字标注。该刀片调整比较简单，当某一扇区的刀刃磨损严重后，稍加转动即可用新扇区的刀刃继续测试，因此可以用同一台切割刀，分别用老化程度不同的扇区进行比对。

图11 藤仓CT-30切割刀

切割刀：同一台CT-30切割刀

检测设备：某国产光纤几何尺寸测试仪

测试过程分为如下两步

1.采用近场光分布提取图像，将端面图像经过模拟→数字信号转换。

2.计算软件将转换成数字信号的图像，经灰度法处理，提取光纤各层边界位置信息，拟合成相似圆后，再计算该相似圆的各项几何尺寸测试数据。

对比方法：

a：分别用已经出现钝化的旧扇区刀刃，与尚未使用的新扇区刀刃对光纤端面进行处理，观察端面处理效果及测试结果的区别。

图14 端面处理不良的包层界面

图15 端面处理良好的包层界面

b：测试结果比较

技术人员使用同一台CT-30切割刀，分别采用钝化的刀刃和新刀刃，对同一根光纤进行10次几何尺寸测试，每次测试前，均重新处理端面。

表2 CT-30钝化刀刃处理端面的几何尺寸测试数据

表3 CT-30新刀刀刃处理端面的几何尺寸测试数据

以包层直径为例，来观察不同切割刀对几何尺寸稳定性的影响。

图16 钝化刀刃处理端面的包层

图17 新刀刀刃处理端面的包层

从图表明显看出，新刀刃处理的端面，包层直径测试结果相对更加稳定，标准偏差明显偏小。而钝刀刀刃处理的的端面，测试结果跳动量比较大。其他几何尺寸测试结果与包层的现象基本一致。

原因分析：

仍以包层直径为例，当计算机提取包层边缘信息，计算出拟合圆后，此时包层直径为：

Rc=[(Xi-X0)2+（Yi-Y0）2]1/2

式中：

Xi和Yi为光信号在边界位置象素点的坐标值；

X0、Y0为光纤或包层的中心坐标（即纤芯圆心或包层圆心的坐标值）；

Rc即为拟合圆的半径

光纤纤芯直径或包层直径即为：2Rc。

可以看出，图像边缘位置信息是影响几何尺寸测试结果的重要因素。当切口附近的玻璃破损严重时，该位置会发生明显形变，玻璃碎屑向外凸出形成新的非圆边界，代替了包层本身的边界。计算机在提取此处边缘信息时，如果将凸出部分的边界误认为是圆的边界带入计算， 将会获得错误的几何尺寸数据。这就是钝刀处理后的端面，几何尺寸测试结果跳动较大的主要原因。

5 切割刀的日常维护及保养

造成刀头老化的原因很多，包括对同一位置点使用过于频繁导致变形、刀头光纤屑的不及时清理、磕碰等，都有可能对切割刀造成不可逆的损伤。检测人员需要了解并掌握切割刀的使用保养常规知识，工艺人员也要加强现场监督管控，以此来提高切割刀的切割质量，延长使用寿命。

由于FK-11切割刀刀头在国内尚无替代产品，仍需依赖进口，价格比较昂贵。正确的日常保养、维护，对于延长其使用寿命大有裨益，也有利于降低公司生产成本。所以这里我们仅以FK-11切割刀为例，介绍切割刀的常规维护及保养。

a.使用中务必注意轻拿轻放，尤其注意不要磕碰刀头部分。

b.及时清理刀头附近的光纤屑，注意正确的清理手法。

c.在检测工序制定详尽的切割刀维护措施，规定维护周期、落实责任人，并做好有据可查的维护记录。这样，在保证切割刀使用寿命的前提下，避免由于切割刀磨损造成的几何尺寸测试误差。

图18 正确的擦拭刀头方法

图19 错误的擦拭刀头方法

图20 清理刀身内的光纤碎屑方法（用风枪吹扫）

6 结束语

影响光纤几何尺寸测试结果的因素很多，如设备状态、测试原理、设备稳定性、人员操作能力、切割刀的性能差异等等，不胜枚举。当检测结果出现问题时，测试人员及工艺人员需要通过5M1E分析方法，全面考虑、分析可能造成几何尺寸测试结果偏差的诸多因素，以求尽早发现影响测试结果的真正原因。 本文仅讨论其中光纤切割刀影响几何尺寸测试结果的原因。

通过试验我们发现，切割刀的磨损、钝化程度对于光纤几何尺寸测试结果的影响非常大。因此，了解切割刀影响几何尺寸测试结果的原因，重视切割刀的日常保养与维护，可以切实提高测试结果的准确性和稳定性，避免这方面造成的几何尺寸测试结果误差。

本文仅是笔者就自己近年在光纤检测工作中总结出的经验发表的一些看法，由于水平有限，内容中必然有许多不足之处， 还望各位业内专家多提出宝贵的批评意见和建议。

参考文献：

1.李晓林 洛阳工业高等专科学校学报 2000年6月 第十卷 第二期 玻璃的脆性及其影响因素

2.国家标准GB/T 15972.45传输特性和光学特性的测量方法和试验程序——模场直径 中国国家标准化管理委员会

3.国家标准 GB/T 15972.20 几何参数的测量方法和试验程序——光纤几何参数 中国国家标准化管理委员会

Doi:10.3969/j.issn.1673-5137.2016.01.001