不同模場直徑光纖的低損耗熔接實(shí)驗(yàn)研究

許海峰，郝保明，唐永剛

從1970年第一批損耗較低的光纖出現(xiàn)至今四十多年中，光纖的優(yōu)越性使其在光纖通信產(chǎn)業(yè)、光纖傳感技術(shù)及分析測量等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，無論在科學(xué)研究領(lǐng)域，還是商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，各類涉及光纖的系統(tǒng)均需要光纖熔接技術(shù).光纖熔接技術(shù)已成為大學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和學(xué)生必須掌握的基本技能之一.伴隨著傳統(tǒng)光纖制作工藝的成熟，各種新型光纖快速出現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用，其中，不同模場直徑（Mode Field Diameter，MFD）的光纖越來越被關(guān)注，而模場直徑不匹配是影響光纖熔接損耗的最大因素［1］.不同模場直徑光纖的低損耗熔接是光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的基本技能之一，也是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn).

本文以9/125μm單模光纖（SMF）與6.5/80μm細(xì)芯徑（TCF）不同模場直徑的光纖為實(shí)驗(yàn)對象，對光纖熔接過程中各關(guān)鍵步驟展開詳細(xì)討論，通過反復(fù)調(diào)試光纖熔接機(jī)相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同模場直徑光纖的低損耗熔接.

1　光纖概念

光纖是圓截面介質(zhì)導(dǎo)波，由纖芯、包層、涂覆層構(gòu)成，如圖1所示.纖芯由高度透明材料構(gòu)成；包層折射率略小于纖芯，形成光波導(dǎo)效應(yīng)；涂覆層是用紫外光固化的一層彈性涂料，可增強(qiáng)光纖柔韌性.目前使用的光纖大多以純凈的二氧化硅材料為主［2］，單模光纖應(yīng)用最為廣泛.本實(shí)驗(yàn)所使用的兩種光纖：9/125μm普通單模光纖，纖芯直徑為 9μm，包層直徑為 125μm，模場直徑為9.3μm；6.5/80μm 細(xì)芯單模光纖，纖芯直徑為6.5μm，包層直徑為80μm，模場直徑為7.5μm.

圖1　光纖結(jié)構(gòu)

影響光纖熔接損耗的主要有本征因素和非本征因素，本征因素即光纖自身因素［3］：光纖模場直徑不一樣、纖芯匹配不一致、包層與纖芯同心度不佳；非本征因素：軸芯錯位或傾斜、光纖端面分離、操作者水平等.了解上述影響因素后，學(xué)生在熔接操作時才可盡量避免，尤其是非本征影響因素.本征影響因素中模場直徑不一致最為關(guān)鍵.

2　光纖熔接

光纖熔接的工藝實(shí)現(xiàn)方法有多種，最常用的是電弧熔接法，即被接光纖的軸心對準(zhǔn)后，兩個電極之間的高壓電弧產(chǎn)生高溫將光纖端面熔化并熔為一體［4］.其特點(diǎn)是損耗低、連接可靠、受外界影響小，熔接流程如圖2所示.主要步驟包含制備光纖端面、光纖熔接機(jī)參數(shù)設(shè)置與電弧熔接、保護(hù)光纖熔接點(diǎn)和測試熔接點(diǎn)損耗.本實(shí)驗(yàn)中使用的熔接機(jī)型號是FSM-45P，產(chǎn)自藤倉公司（Fu?jikura）.

圖2　光纖熔接步驟

2.1　制備光纖端面

能否高質(zhì)量熔接取決于光纖端面的平整度，光纖端面的制備主要有三個環(huán)節(jié)：制備裸纖、清潔光纖、切割光纖端面.先將任意一段待熔接光纖套上一根熱縮保護(hù)套管，以備熔接后接頭保護(hù)，本實(shí)驗(yàn)中將熱縮管套在6.5/80μm TCF.

第一步：制備裸纖.9/125μm SMF與6.5/80μm TCF兩種光纖涂覆層直徑不相同，故需用不同槽口的光纖米勒鉗剝離上述兩種光纖涂覆層，如圖3所示，米勒鉗壓緊時鉗口尺寸略小于光纖涂覆層250nm不會壓斷光纖和增加光纖損耗.

圖3　光纖米勒鉗

第二步：清潔光纖.米勒鉗剝出約40mm的裸纖后用干凈的軟紙或棉球蘸無水乙醇將其擦干凈.清洗工具如圖4所示.熔接機(jī)中清潔放電功能可將光纖表面酒精殘漬蒸發(fā)掉，以便熔接機(jī)能夠更清楚的獲取光纖側(cè)面圖像數(shù)據(jù).

圖4　清洗工具

第三步：切割光纖端面.熔接損耗與切割端面的平整度密切相關(guān).9/125μm SMF與6.5/80μm TCF剝掉涂覆層后包層直徑不相同，故需放入不同夾具中，留出大約30mm長度，用拇指按住光纖，使其完整嵌入夾具槽中，然后分別用不同的切割刀進(jìn)行端面切割，保證切割端面89°±1°，近似垂直，光纖端面切割原理如圖5所示.光纖切割后，不能再次使用酒精擦拭，避免污染切割好的光纖端面.

圖5　光纖端面切割原理

2.2　光纖熔接機(jī)參數(shù)設(shè)置與電弧熔接

電弧熔接［5］是光纖接續(xù)最為核心操作，熔接機(jī)放電強(qiáng)度、放電時間等參數(shù)設(shè)置直接影響熔接質(zhì)量.本實(shí)驗(yàn)通過調(diào)節(jié)熔接機(jī)熔接參數(shù)來改善模場失配，實(shí)現(xiàn)低損耗熔接，熔接原理如圖6所示.

圖6　放電熔接過程

操作步驟如下所述：

第一步，放置光纖.將制備好的兩段光纖分別放入光纖熔接機(jī)調(diào)整架左右V型槽中固定，并將兩光纖端面置于熔接電極之間，相距適當(dāng)距離.本實(shí)驗(yàn)中把9/125μmSMF置于右槽中，6.5/80μm TCF置于左槽中，放下兩側(cè)壓腳，蓋上防風(fēng)蓋；第二步，調(diào)節(jié)熔接機(jī)參數(shù).待熔光纖模場直徑不匹配，在熔接時需調(diào)節(jié)熔接機(jī)放電強(qiáng)度、放電時間、清潔放電等參數(shù)，反復(fù)調(diào)試優(yōu)化后參數(shù)如表1所示；當(dāng)屏幕顯示待機(jī)字樣時，按SET鍵開始熔接；第三步，預(yù)放電.在光纖正式熔接之前通過預(yù)放電對光纖端面進(jìn)行加熱整形，使光纖端面無毛刺、清潔、平整；將光纖沿軸向稍加推進(jìn)，兩端面直接接觸并有一定相互擠壓時停止移動.尖端放電溫度約達(dá)2000℃，繼續(xù)放電使光纖端面充分熔融連為一體，直至熔接機(jī)發(fā)出“滴滴”聲，熔接完畢，如圖7所示.熔接操作完成后，打開防風(fēng)蓋.

表1　熔接機(jī)參數(shù)設(shè)置

圖7　光纖熔接完畢

2.3　保護(hù)光纖熔接點(diǎn)

剝除涂覆層的光纖更脆弱易斷，承受彎曲能力較差，因此實(shí)驗(yàn)室中在光纖熔接結(jié)束后需對熔點(diǎn)進(jìn)行保護(hù).一般有兩種方法：涂覆保護(hù)法和熱縮管保護(hù)法.涂覆保護(hù)法是采用光纖涂覆機(jī)對熔點(diǎn)附近的裸纖反復(fù)涂覆有機(jī)硅脂或其他材料，涂覆后可使裸纖外徑與原先直徑基本一致.6.5/80μm TCF與9/125μm SMF纖芯不匹配，涂覆后仍較脆弱，現(xiàn)場使用操作復(fù)雜、成本高，故不采用該種方法.熱縮管保護(hù)法所使用的熱縮管中間有不易形變的鋼棒，加熱過程中有熱傳遞作用，保護(hù)熔接點(diǎn)，也便學(xué)生操作，本次教學(xué)實(shí)驗(yàn)中采用該種方法.具體操作如下：在“光纖端面的制備”步驟中，已將熱縮管套入6.5/80μm TCF，此時從熔接機(jī)中緩慢取出已熔接成功的光纖，將預(yù)先套好的熱縮管輕輕移至熔點(diǎn)處，確保剝除涂覆層的裸纖（熔點(diǎn)兩端的裸纖）全部置于熱縮管內(nèi)，拉緊、壓放入加熱槽，按HEAT鍵，加熱指示燈亮起開始加熱，兩分鐘后熔接機(jī)發(fā)出警告，加熱過程完成，指示燈不停閃爍，此時拿出冷卻，光纖熔接點(diǎn)保護(hù)過程完成.

2.4　測試熔接點(diǎn)損耗

熔接損耗是評估光纖熔接質(zhì)量的重要指標(biāo)之一.6.5/80μm TCF與9/125μm SMF，兩種光纖模場直徑不匹配，連接時軸心錯位、端面傾斜、端面不清潔等多種原因可產(chǎn)生熔接損耗.熔接機(jī)在光纖熔接完成后可通過經(jīng)驗(yàn)公式計算損耗的可能值，但精確損耗還需通過實(shí)驗(yàn)來測試.最常用的是光時域反射儀（Optical Time Domain Reflec?tometer，OTDR）測試［6-7］，基本原理是通過向光纖發(fā)送光脈沖，同時在輸入端接收其中的菲涅爾反射光和瑞利背向散射光，將接收到的光信號轉(zhuǎn)換電信號，對信號進(jìn)行處理后得到光纖長度、損耗等參數(shù).用OTDR測試接續(xù)點(diǎn)損耗一旦超標(biāo)，應(yīng)及時重新熔接，重復(fù)上述步驟.

3　結(jié)語

本文分別對光纖熔接過程中各關(guān)鍵步驟及相關(guān)技術(shù)做了詳細(xì)探討：光纖端面制備、光纖熔接機(jī)參數(shù)設(shè)置與電弧熔接等步驟可直接影響光纖熔接質(zhì)量，故制備平整、無毛刺、無缺陷的光纖端面尤為重要.在進(jìn)行不同模場直徑光纖熔接時，損耗主要是由模場直徑不一致引起的，若按照熔接機(jī)常用的9/125μm SMF～SMF熔接模式直接進(jìn)行熔接可導(dǎo)致熔接失敗或損耗過高，本實(shí)驗(yàn)中通過反復(fù)調(diào)試優(yōu)化光纖熔接機(jī)清潔放電時間、光纖端面間隔設(shè)定、重疊量、光纖預(yù)熱放電時間等相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同模場直徑光纖的低損耗熔接.熔接完畢后在熔接點(diǎn)處加上帶有不銹鋼棒的熱縮管給予保護(hù)，使其不易斷和抗彎曲，測試熔接點(diǎn)損耗是熔接的最后一步，本實(shí)驗(yàn)中使用OTDR測試.

本文總結(jié)梳理了上述關(guān)鍵步驟，突出重點(diǎn)，便于學(xué)生學(xué)習(xí)掌握和提高課堂效率.另外，在熔接過程中學(xué)生的規(guī)范程度和熟練程度更為重要，同時，也要求學(xué)生不斷學(xué)習(xí)和掌握新的熔接技術(shù)和使用新的設(shè)備，保證接續(xù)高質(zhì)量完成.本實(shí)驗(yàn)利于加深學(xué)生對光纖結(jié)構(gòu)的認(rèn)識、對光纖熔接原理的理解和對熔接機(jī)的熟練操作.

參考文獻(xiàn)：

［1］何曉紅.低損熔接技術(shù)及在線熔接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究［D］.合肥：安徽大學(xué)，2014.

［2］顧婉儀.光纖通信［M］.北京：人民郵電出版社，2012.

［3］程蕊嵐，劉繼芳，馬琳.影響光纖熔接損耗的因素及解決方法［J］.光電科技，2009，22（5）：50-51.

［4］招湛軍，鄒桂清.光纖熔接技術(shù)［J］.電力系統(tǒng)通信，2004（5）：51-52.

［5］王全寶.降低光纖熔接機(jī)熔接損耗的方法研究［D］.福州：福建師范大學(xué)，2012.

［6］馮術(shù)娟，黃本華，劉瑞林，等.石英光纖熔接損耗特性研究［J］.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2017（3）：29-32.

［7］李科，楊飛，陳峰華.OTDR原理及其應(yīng)用［J］.山西科技，2010，25（2）：46-51.