張濟(jì)民 楊小光 張 偉

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266000）

0 概述

近年來(lái)，光纖通信發(fā)展迅速，由于其具有容量大、成本低和保密性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在軍事、互聯(lián)網(wǎng)、金融、交通、環(huán)保、監(jiān)控、醫(yī)療、文化及航天等各個(gè)領(lǐng)域。所有光纖通信工程的建設(shè)和維護(hù)，都是通過(guò)光纖熔接機(jī)等設(shè)備將一根根的光纖連接在一起，形成了巨大的光纖通信網(wǎng)絡(luò)。 熔接損耗是評(píng)價(jià)光纖熔接質(zhì)量好壞的一個(gè)重要參數(shù)，它直接決定著光纖通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。 實(shí)際操作中，影響熔接損耗的因素較多，本文主要論述光纖端面角和熔接損耗之間的關(guān)系，并對(duì)因光纖端面角度因素導(dǎo)致熔接損耗增大的問(wèn)題提出了解決辦法。因此對(duì)減小熔接損耗、提高光纖熔接質(zhì)量有著重要意義。

1 光纖熔接損耗

1.1 熔接損耗定義

光纖接續(xù)是光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)中工程量大、技術(shù)要求最復(fù)雜的重要工序，其質(zhì)量好壞直接影響光纖線路的傳輸質(zhì)量和可靠性。 衡量接續(xù)質(zhì)量的最重要指標(biāo)是接續(xù)損耗，它是指光纖接續(xù)點(diǎn)產(chǎn)生的功率損失，公式如下：

式中：L 為接續(xù)損耗，Pi是輸入功率，Po是經(jīng)過(guò)接續(xù)點(diǎn)的輸出功率。對(duì)于使用熔接機(jī)進(jìn)行光纖熱熔接續(xù)來(lái)說(shuō)，L 即為熔接損耗。決定熔接損耗的因素分為兩類(lèi)：本征因素和非本征因素，分別進(jìn)行分析。

1.2 本征因素

影響光纖熔接的本征因素是指光纖自身的因素，包括模場(chǎng)直徑偏差、模場(chǎng)同心度誤差、纖芯截面不圓等，其中，光纖模場(chǎng)直徑偏差影響最大，估算公式如下：

式中：Lα是估計(jì)損耗值，ω1和ω2是左、 右兩條待熔接的光纖的模場(chǎng)直徑。 以光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中應(yīng)用最多的單模光纖為例進(jìn)行分析，單模光纖國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ITU-T G.652 中規(guī)定的模場(chǎng)直徑的范圍是8.6μm～9.5μm， 假 設(shè) 待 接 續(xù) 的 兩 條 單 模 光 纖 的 模 場(chǎng) 直 徑 分 別 為8.6μm 和9.5μm，帶入公式2 得到的熔接損耗約為0.043dB。

此外，標(biāo)準(zhǔn)的多模光纖、非零色散位移光纖、色散位移光纖的模場(chǎng)直徑都允許一定的變化范圍，當(dāng)進(jìn)行不同廠家光纖熔接時(shí)，由于模場(chǎng)失配造成的損耗影響還是很大的。

1.3 非本征因素

影響光纖熔接損耗的非本征因素主要是熔接技術(shù)，包括以下幾個(gè)方面：

端面角：使用切割刀制備光纖端面時(shí)，光纖端面存在的傾角。熔接機(jī)屏幕上，光纖端面圖像的邊界線與屏幕中垂直直線的夾角即為光纖端面角。

軸心錯(cuò)位： 單模光纖纖芯很細(xì)，2 根對(duì)接光纖軸心錯(cuò)位會(huì)影響熔接損耗。

端面分離：待熔接的兩條光纖端面間距過(guò)大，張力測(cè)試時(shí)可發(fā)現(xiàn)。

光纖傾斜：一般由于接續(xù)設(shè)備對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障或操作不當(dāng)造成的，待接續(xù)的兩條光纖軸心不在同一條水平線上。

接續(xù)點(diǎn)附近的光纖物理變形： 光纜在架設(shè)過(guò)程中的拉伸變形，接續(xù)盒中夾固光纜的壓力太大等，都會(huì)對(duì)熔接損耗產(chǎn)生影響。

圖1 非本征因素示意圖

1.4 降低熔接損耗途徑

降低光纖接頭處的熔接損耗，可以增加光纖中繼放大傳輸距離或增加光纜富余度。因此，降低光纖的熔接損耗具有重要意義。從本征因素方面考慮，在光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，優(yōu)先考慮使用同一品牌和型號(hào)的光纖。 從非本征因素方面考慮，軸心錯(cuò)位、端面分離、光纖傾斜和光纖物理變形可通過(guò)規(guī)范操作避免，端面角是客觀存在的，優(yōu)質(zhì)切割刀的平均端面角≤0.8°，因此，端面角是決定熔接損耗的重要因素，下文將從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面介紹熔接損耗和端面角之間的關(guān)系。

2 熔接損耗與端面角的關(guān)系

2.1 測(cè)試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)

在熔接損耗測(cè)試中，通常采用剪斷法。 光纖熔接損耗的測(cè)試原理與光纖衰減特性的檢測(cè)原理類(lèi)似，在不改變注入光的條件下通過(guò)功率計(jì)測(cè)量出經(jīng)過(guò)某一定長(zhǎng)度（大于2km）光纖后的功率值P1（λ），然后在整段光纖的約中間部分截?cái)啵?再用熔接機(jī)將截?cái)嗟墓饫w接續(xù)起來(lái)，待功率穩(wěn)定后，讀取功率計(jì)值P2（λ），通過(guò)公式（1）可計(jì)算出該熔接點(diǎn)的損耗值。 具體測(cè)試方法見(jiàn)下圖所示測(cè)試系統(tǒng)。

圖2 損耗測(cè)試系統(tǒng)示意圖

端面角與熔接損耗之間的關(guān)系非常復(fù)雜，目前沒(méi)有準(zhǔn)確的公式可供參考。 本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析找出二者之間的關(guān)系，前提是必須統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)條件，排除接續(xù)設(shè)備、測(cè)試儀器、環(huán)境、光纖本身因素的影響。本實(shí)驗(yàn)中使用的設(shè)備是中國(guó)電科第41 所AV6472 光纖熔接機(jī)和AV33012 光纖切割刀，測(cè)試儀器采用的是安捷倫公司的8163B 光源、功率計(jì)系統(tǒng)，分辨率高達(dá)0.001dB，光纖采用符合ITU-T G.652 標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖，溫度20～25℃，濕度45～55%RH，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

由于光纖端面角難以預(yù)先確定，進(jìn)行多次測(cè)試并記錄左、右光纖平均端面角和熔接損耗的對(duì)應(yīng)關(guān)系，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 端面角和熔接損耗對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 曲線擬合原理

為了從這些數(shù)據(jù)中找到其內(nèi)在的規(guī)律性，即求得自變量和因變量之間吻合程度比較好的函數(shù)關(guān)系式，通常采用曲線擬合的方法，其原理有最小二乘法、契比雪夫法等，且以最小二乘法最為常見(jiàn)，原理如下：

設(shè)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（xi,yi）,i=1,2,…,n，尋找函數(shù)f(a,x)使得函數(shù)在點(diǎn)xi處的函數(shù)值與觀測(cè)數(shù)據(jù)偏差的平方和達(dá)到最小。 即使得

式中，a 是待定的參數(shù)。

2.3 Matlab 實(shí)現(xiàn)

matlab 是一款功能強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算軟件， 本文直接使用內(nèi)部ployfit 函數(shù)實(shí)現(xiàn)曲線擬合，分別采用2 階和3 階擬合，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(' 原始數(shù)據(jù)','2 階曲線','3 階曲線')

p2 和p3 分別是2 階和3 階多項(xiàng)式的系數(shù)，s2 和s3 是均方誤差，y2 和y3 是多項(xiàng)式值，運(yùn)行程序后得到的曲線如圖3 所示。 s2=0.0388，s3=0.0224，因此3 階多項(xiàng)式曲線吻合程度更好，最終的擬合曲線如公式4 所示：

圖3 matlab 擬合曲線

3 改進(jìn)措施

兩端光纖通過(guò)軸向推進(jìn)，從而靠近連接在一起。 該過(guò)程需要對(duì)光纖端面不平整或一些微小的缺陷進(jìn)行補(bǔ)償。如果兩端光纖有比較大的切割角度，而需要連接，看起來(lái)在端面間就有一個(gè)角度。 如圖4 所示。由于存在切割角度αCl，當(dāng)兩端光纖推進(jìn)到一起時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，連接處產(chǎn)生數(shù)量為Vm的中間玻璃體缺失。

圖4 切割角度導(dǎo)致中間玻璃體缺失

在熔接過(guò)程中該缺失部分會(huì)引起玻璃體流動(dòng)。這樣的流動(dòng)又會(huì)影響到光纖纖芯，并導(dǎo)致其彎曲，最終引起熔接損耗增大。那么減少該影響的辦法就是增加光纖的推進(jìn)，來(lái)補(bǔ)償中間玻璃體缺失。 采用的改進(jìn)措施具體如下：首先測(cè)量切割角度αC1（用于推導(dǎo)參考值），然后通過(guò)CPU 控制軸向電機(jī)，增加光纖的推進(jìn)量，到達(dá)最優(yōu)化的熔接損耗。假定光纖直徑為d，額外軸向推進(jìn)為Δzaf,對(duì)于中間玻璃體缺失部分的計(jì)算如下：

由此可以得出，要補(bǔ)償該缺失額外推進(jìn)量大約為：

4 改進(jìn)后驗(yàn)證

采取改進(jìn)推進(jìn)量的方法后， 平均端面角≤1.0°時(shí)光纖的熔接損耗控制在0.04dB 以下，具體測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)下表2 所示。 在高標(biāo)準(zhǔn)光纜線路施工中，光纖熔接質(zhì)量的內(nèi)控指標(biāo)要高于設(shè)計(jì)指標(biāo)。 光纖接頭損耗在0.02dB 及以下為優(yōu)，光纖接頭損耗在0.05dB 及以下為良，光纖接頭損耗在0.05dB 到0.08dB 之間為合格。 通過(guò)改進(jìn)熔接方法，對(duì)于光纖端面角度在1.0°以下的光纖熔接，熔接損耗可完全滿足干線等高等級(jí)光纜線路施工要求。

表2 改進(jìn)后端面角和熔接損耗數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了光纖端面角度等因素對(duì)熔接損耗的影響， 并使用matlab 軟件進(jìn)行曲線擬合獲得端面角與熔接損耗之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 然后根據(jù)端面角信息改變光纖熔接機(jī)熔接時(shí)的推進(jìn)量，明顯的減少了高熔接損耗光纖接頭的產(chǎn)生。

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

［2］楊紅顏.淺談如何降低光纖的熔接損耗[J].光纖光纜的傳輸技術(shù),2009(4)：44-46.

［3］汪禹. MATLAB 在曲線擬合中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新,2012(7)：8-9.