不同模场直径光纤的低损耗熔接实验研究

许海峰，郝保明，唐永刚

从1970年第一批损耗较低的光纤出现至今四十多年中，光纤的优越性使其在光纤通信产业、光纤传感技术及分析测量等领域发挥着重要作用，无论在科学研究领域，还是商业应用领域，各类涉及光纤的系统均需要光纤熔接技术.光纤熔接技术已成为大学实验基础和学生必须掌握的基本技能之一.伴随着传统光纤制作工艺的成熟，各种新型光纤快速出现并得到广泛应用，其中，不同模场直径（Mode Field Diameter，MFD）的光纤越来越被关注，而模场直径不匹配是影响光纤熔接损耗的最大因素［1］.不同模场直径光纤的低损耗熔接是光学实验中的基本技能之一，也是教学的重点和难点.

本文以9/125μm单模光纤（SMF）与6.5/80μm细芯径（TCF）不同模场直径的光纤为实验对象，对光纤熔接过程中各关键步骤展开详细讨论，通过反复调试光纤熔接机相关参数实现不同模场直径光纤的低损耗熔接.

1　光纤概念

光纤是圆截面介质导波，由纤芯、包层、涂覆层构成，如图1所示.纤芯由高度透明材料构成；包层折射率略小于纤芯，形成光波导效应；涂覆层是用紫外光固化的一层弹性涂料，可增强光纤柔韧性.目前使用的光纤大多以纯净的二氧化硅材料为主［2］，单模光纤应用最为广泛.本实验所使用的两种光纤：9/125μm普通单模光纤，纤芯直径为 9μm，包层直径为 125μm，模场直径为9.3μm；6.5/80μm 细芯单模光纤，纤芯直径为6.5μm，包层直径为80μm，模场直径为7.5μm.

图1　光纤结构

影响光纤熔接损耗的主要有本征因素和非本征因素，本征因素即光纤自身因素［3］：光纤模场直径不一样、纤芯匹配不一致、包层与纤芯同心度不佳；非本征因素：轴芯错位或倾斜、光纤端面分离、操作者水平等.了解上述影响因素后，学生在熔接操作时才可尽量避免，尤其是非本征影响因素.本征影响因素中模场直径不一致最为关键.

2　光纤熔接

光纤熔接的工艺实现方法有多种，最常用的是电弧熔接法，即被接光纤的轴心对准后，两个电极之间的高压电弧产生高温将光纤端面熔化并熔为一体［4］.其特点是损耗低、连接可靠、受外界影响小，熔接流程如图2所示.主要步骤包含制备光纤端面、光纤熔接机参数设置与电弧熔接、保护光纤熔接点和测试熔接点损耗.本实验中使用的熔接机型号是FSM-45P，产自藤仓公司（Fu⁃jikura）.

图2　光纤熔接步骤

2.1　制备光纤端面

能否高质量熔接取决于光纤端面的平整度，光纤端面的制备主要有三个环节：制备裸纤、清洁光纤、切割光纤端面.先将任意一段待熔接光纤套上一根热缩保护套管，以备熔接后接头保护，本实验中将热缩管套在6.5/80μm TCF.

第一步：制备裸纤.9/125μm SMF与6.5/80μm TCF两种光纤涂覆层直径不相同，故需用不同槽口的光纤米勒钳剥离上述两种光纤涂覆层，如图3所示，米勒钳压紧时钳口尺寸略小于光纤涂覆层250nm不会压断光纤和增加光纤损耗.

图3　光纤米勒钳

第二步：清洁光纤.米勒钳剥出约40mm的裸纤后用干净的软纸或棉球蘸无水乙醇将其擦干净.清洗工具如图4所示.熔接机中清洁放电功能可将光纤表面酒精残渍蒸发掉，以便熔接机能够更清楚的获取光纤侧面图像数据.

图4　清洗工具

第三步：切割光纤端面.熔接损耗与切割端面的平整度密切相关.9/125μm SMF与6.5/80μm TCF剥掉涂覆层后包层直径不相同，故需放入不同夹具中，留出大约30mm长度，用拇指按住光纤，使其完整嵌入夹具槽中，然后分别用不同的切割刀进行端面切割，保证切割端面89°±1°，近似垂直，光纤端面切割原理如图5所示.光纤切割后，不能再次使用酒精擦拭，避免污染切割好的光纤端面.

图5　光纤端面切割原理

2.2　光纤熔接机参数设置与电弧熔接

电弧熔接［5］是光纤接续最为核心操作，熔接机放电强度、放电时间等参数设置直接影响熔接质量.本实验通过调节熔接机熔接参数来改善模场失配，实现低损耗熔接，熔接原理如图6所示.

图6　放电熔接过程

操作步骤如下所述：

第一步，放置光纤.将制备好的两段光纤分别放入光纤熔接机调整架左右V型槽中固定，并将两光纤端面置于熔接电极之间，相距适当距离.本实验中把9/125μmSMF置于右槽中，6.5/80μm TCF置于左槽中，放下两侧压脚，盖上防风盖；第二步，调节熔接机参数.待熔光纤模场直径不匹配，在熔接时需调节熔接机放电强度、放电时间、清洁放电等参数，反复调试优化后参数如表1所示；当屏幕显示待机字样时，按SET键开始熔接；第三步，预放电.在光纤正式熔接之前通过预放电对光纤端面进行加热整形，使光纤端面无毛刺、清洁、平整；将光纤沿轴向稍加推进，两端面直接接触并有一定相互挤压时停止移动.尖端放电温度约达2000℃，继续放电使光纤端面充分熔融连为一体，直至熔接机发出“滴滴”声，熔接完毕，如图7所示.熔接操作完成后，打开防风盖.

表1　熔接机参数设置

图7　光纤熔接完毕

2.3　保护光纤熔接点

剥除涂覆层的光纤更脆弱易断，承受弯曲能力较差，因此实验室中在光纤熔接结束后需对熔点进行保护.一般有两种方法：涂覆保护法和热缩管保护法.涂覆保护法是采用光纤涂覆机对熔点附近的裸纤反复涂覆有机硅脂或其他材料，涂覆后可使裸纤外径与原先直径基本一致.6.5/80μm TCF与9/125μm SMF纤芯不匹配，涂覆后仍较脆弱，现场使用操作复杂、成本高，故不采用该种方法.热缩管保护法所使用的热缩管中间有不易形变的钢棒，加热过程中有热传递作用，保护熔接点，也便学生操作，本次教学实验中采用该种方法.具体操作如下：在“光纤端面的制备”步骤中，已将热缩管套入6.5/80μm TCF，此时从熔接机中缓慢取出已熔接成功的光纤，将预先套好的热缩管轻轻移至熔点处，确保剥除涂覆层的裸纤（熔点两端的裸纤）全部置于热缩管内，拉紧、压放入加热槽，按HEAT键，加热指示灯亮起开始加热，两分钟后熔接机发出警告，加热过程完成，指示灯不停闪烁，此时拿出冷却，光纤熔接点保护过程完成.

2.4　测试熔接点损耗

熔接损耗是评估光纤熔接质量的重要指标之一.6.5/80μm TCF与9/125μm SMF，两种光纤模场直径不匹配，连接时轴心错位、端面倾斜、端面不清洁等多种原因可产生熔接损耗.熔接机在光纤熔接完成后可通过经验公式计算损耗的可能值，但精确损耗还需通过实验来测试.最常用的是光时域反射仪（Optical Time Domain Reflec⁃tometer，OTDR）测试［6-7］，基本原理是通过向光纤发送光脉冲，同时在输入端接收其中的菲涅尔反射光和瑞利背向散射光，将接收到的光信号转换电信号，对信号进行处理后得到光纤长度、损耗等参数.用OTDR测试接续点损耗一旦超标，应及时重新熔接，重复上述步骤.

3　结语

本文分别对光纤熔接过程中各关键步骤及相关技术做了详细探讨：光纤端面制备、光纤熔接机参数设置与电弧熔接等步骤可直接影响光纤熔接质量，故制备平整、无毛刺、无缺陷的光纤端面尤为重要.在进行不同模场直径光纤熔接时，损耗主要是由模场直径不一致引起的，若按照熔接机常用的9/125μm SMF～SMF熔接模式直接进行熔接可导致熔接失败或损耗过高，本实验中通过反复调试优化光纤熔接机清洁放电时间、光纤端面间隔设定、重叠量、光纤预热放电时间等相关参数实现不同模场直径光纤的低损耗熔接.熔接完毕后在熔接点处加上带有不锈钢棒的热缩管给予保护，使其不易断和抗弯曲，测试熔接点损耗是熔接的最后一步，本实验中使用OTDR测试.

本文总结梳理了上述关键步骤，突出重点，便于学生学习掌握和提高课堂效率.另外，在熔接过程中学生的规范程度和熟练程度更为重要，同时，也要求学生不断学习和掌握新的熔接技术和使用新的设备，保证接续高质量完成.本实验利于加深学生对光纤结构的认识、对光纤熔接原理的理解和对熔接机的熟练操作.

参考文献：

［1］何晓红.低损熔接技术及在线熔接数据采集系统研究［D］.合肥：安徽大学，2014.

［2］顾婉仪.光纤通信［M］.北京：人民邮电出版社，2012.

［3］程蕊岚，刘继芳，马琳.影响光纤熔接损耗的因素及解决方法［J］.光电科技，2009，22（5）：50-51.

［4］招湛军，邹桂清.光纤熔接技术［J］.电力系统通信，2004（5）：51-52.

［5］王全宝.降低光纤熔接机熔接损耗的方法研究［D］.福州：福建师范大学，2012.

［6］冯术娟，黄本华，刘瑞林，等.石英光纤熔接损耗特性研究［J］.光纤与电缆及其应用技术，2017（3）：29-32.

［7］李科，杨飞，陈峰华.OTDR原理及其应用［J］.山西科技，2010，25（2）：46-51.