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技術分享|不同種類單模光纖熔接后的外觀和熔接質量之間的關系(一)

摘要:關鍵字:光纖熔接,熔接損耗,不同種類光纖,SMF,單模光纖,MFD,模場直徑,G.652,G.654,G.655,G.657,PAS,側面對準系統,纖芯對準,熔接機里面的氣泡,切割不良。

  作者:趙麟(藤倉中國)

  摘要:

  本文探討了對不同種類單模光纖進行熔接的時候,所發生的外觀上和性能上的問題。在長距離通信網絡中,由于有時候需要混合使用不同種類的G.655非零色散光纖,并將G.655光纖和標準的G.652光纖在配線架里面進行熔接,所以不同種類單模光纖進行熔接的應用已經存在了一段時間。近年來,由于通信網絡中新增了彎曲不敏感光纖(G.657) 以及低損耗純硅纖芯光纖(G.654) ,所以不同種類單模光纖的熔接變得越來越普遍。在熔接不同種類單模光纖的時候,經常會在熔接機顯示屏幕上的光纖影像里面看到光纖熔接點上面存在豎直的陰影或者是線條。我們能夠解釋產生可見條紋的原因,并且對相關不同種類單模光纖的熔接進行光學表現以及強度信賴性方面的測試。

  關鍵字:光纖熔接,熔接損耗,不同種類光纖,SMF,單模光纖,MFD,模場直徑,G.652,G.654,G.655,G.657,PAS,側面對準系統,纖芯對準,熔接機里面的氣泡,切割不良。

  1.引言

  現今不同種類的單模光纖被頻繁混合使用于光纖網絡。這類光纖所需的特性取決于種類,例如1TU-T G.652 (“標準”SMF) ,G.653 (DSF),G.655 (NZDS) 。近來,增加了適應彎曲不敏感需求的G.657,另外也有滿足G.654要求的光纖。各個廠家使用各種各樣的光纖構造和折射率分布來達到ITU的式樣要求。于是,根據網絡的需求大量不同種類光纖的需要各自熔接,亦或是和傳統的G.652單模光纖進行熔接。

  當兩個不同種類單模光纖被熔接到一起的時候,在熔接機的顯示屏上面的熔接點上可能會出現可見的條紋。這就會給使用者帶來很多問題和困擾,包括質疑這類熔接的損耗和信賴性。

  由于在熔接點上面的可見異?,F象(例如豎直的線條)會造成熔接機發生氣泡報警,和之前的問題和困惑疊加在一起就變得更加復雜。因此如何辨別真實氣泡和豎直線條的差異,以及如何判定是一個真實的氣泡,亦或僅僅是熔接機影像內的可見瑕疵就顯得極其重要。

  2.討論熔接中發生的氣泡

  在對氣泡、其他的熔接瑕疵亦或是可見的異?,F象進行討論的時候,有必要對影響熔接外觀以及影響實際的熔接損耗和熔接質量的一些因素進行考量。不常見的熔接外觀有可能會對熔接的損耗產生影響,也有可能不會產生影響。

  2.1 影響熔接外觀的因素

  一個實際存在的氣泡(在玻璃的內部造成了含有氣體的孔洞)或者在熔接的時候被嵌入到內部的污染物有可能會在熔接后的影像上面產生黑色的點。在有些情況下,類似于在切割端面上的毛刺這樣的由切割產生的瑕疵有可能也會產生可見的黑點。在另外一些比較少的情況下,如果熔接機的放電功率過高或者過低,也會對熔接后的影像造成影響。近些年,隨著不同種光纖熔接的廣泛運用,兩種光纖結構上的差異性會造成兩種光纖在熔接后,熔接后的光纖影像上面,熔接點的位置上產生可見的豎直線條。

  2.2 影響熔接損耗的因素

  纖芯對準不良

  氣泡或者是真實的熔接瑕疵

  左右兩邊光纖的模場直徑不同

  放電或者是加熱的參數不合適

  2.3 在熔接點的氣泡

  在熔接點內的黑點可能預示著一個真實存在的氣泡。這樣的黑點也有可能是由于陷入到熔接后光纖內部的污染物亦或是在光纖表面的污染物所造成的。

  在有些情況下,如果在被熔接后光纖的切割端面上存在毛刺的話,這樣的切割瑕疵會在光纖熔接完成后,造成殘留在光纖表面的扭曲變形,并且這種情況同樣會造成在光纖影像中的黑點。

  在熔接影像上的黑點,一般來說操作人員可以很容易地將其和熔接點上的豎直線條區分開來。然而在某些情況下,在熔接點上的黑暗線條可能會在熔接機的上面造成氣泡報警。在下面的圖1左,顯示了一個真實存在的氣泡。在這個例子里面氣泡表現的十分明顯,在X和Y兩側的垂直攝像頭的影像中展現出非常大的不良,并且光纖的外觀形狀也被放大和扭曲了。

  圖1. 這兩張圖片展示了真實的氣泡和虛假的氣泡的例子,雖然熔接機的報警都是氣泡報警,但是左邊的多模光纖的真的氣泡會發生明顯的形變,而右邊虛假的氣泡只是在中間的位置存在明暗的豎線。

  在圖1右顯示的熔接影像也會使熔接機產生氣泡報警,但是并沒有實際的氣泡存在。在這個影像里面,黑暗的豎直線條足以使熔接機觸發氣泡報警。豎直線條是由兩種光纖在結構上的差異性所造成的。不是反映熔接損耗或者質量的可信依據。在本篇論文之后的幾個章節里面,會對在許多不同種類光纖熔接的時候產生可見豎直線條的現象進行解釋。

  在圖1左展示的一個實際存在的氣泡非常大而且明顯。然而,它也有可能被顯示為僅僅是一個小的黑點。這樣的黑點一般來說呈圓形,并且可能在X和Y兩側攝像頭的圖像上都可以看到,也可能僅僅在一側的攝像頭圖像上面。有些時候很難判斷這是一個真實存在的氣泡,還是僅僅是在光纖表面的微小而且無傷大雅的瑕疵。如果黑點在X和Y兩側的影像上都有顯示的話,造成瑕疵的位置就靠近光纖的纖芯,而且很有可能是一個真實的氣泡,或者是一些會造成損耗變大的不良。如果黑點僅僅顯示在一側的攝像頭影像上的話,就有可能是一個在光纖表面的不重要的瑕疵。在這種情況下,使用再次放電的功能可以幫助我們去判別黑點是真實存在的氣泡還是表面的瑕疵。在熔接完成之后再次追加放電的話,由真實存在的氣泡所造成 的的黑點因為陷入光纖內部的氣體受熱膨脹,一般情況下會被放大。如果像下面圖2所表示的那樣,黑點逐漸消失,那么黑點就是光纖表面的瑕疵,會伴隨著光纖表面的再次融化而被消除。

  圖2.使用再次放電來判斷黑點是不是真實存在的氣泡

  3.本次研究所需光纖的選型

  為了進行本次研究,我們選擇了三種不同的單模光纖,首先是標準的G.652.D光纖用來進行同種光纖的熔接,以提供一個和不同種光纖熔接相比較的參考,然后是G.652.D和G.654.C,以及G.652.D和G.655.D,提供了兩種差異性很大的不同種光纖的熔接,G.654.C和G.652.D在折射率分布上面有著很大的差異,但是模場直徑上的差異較小,G.655.D和G.652.D在折射率分布上的差異性較小,但是模場直徑上的差異較大。

  4.測試和分析的細節

  為了學習這三種不同種類單模光纖的熔接組合,注明了光纖的模場直徑(MFD) 和折射率分布。在光纖被熔接之后,熔接的損耗和強度也進行了測量。

  4.1 熔接前的光纖準備

  使用一般光纖熔接現場所使用的方法來準備光纖。這樣的話,光纖的強度就取決于操作人員的能力。

  在這次實驗當中,使用傳統的手持式剝除工具進行光纖涂覆層的剝除。剝除后的光纖使用酒精浸泡的紙用手進行擦拭。每次清潔光纖的時候都會使用新的擦拭紙。切割光纖使用的是普通的藤倉CT-30切割刀。

  4.2 光纖熔接

  為了將對芯錯誤所造成的熔接損耗的影響最小化,本次實驗中進行熔接的設備是具有纖芯對準功能的熔接機。由于對芯方面所造成的影響已經很低,熔接損耗的結果主要取決于進行熔接的不同種光纖的特性上面的區別。

  為了能夠在對芯的精度上達到亞微米的級別,本次研究所使用的纖芯對準的熔接機配備了PAS技術(側面對準系統)。一個高質量的PAS纖芯對準熔接機的對芯精度通常在0.1μm以內或者更低,基本上可以消除光纖幾何形狀(纖芯對包層的偏心率)以及對芯錯誤,這兩大造成熔接損耗的因素。

  更多關于PAS熔接機光學分析系統的解釋和纖芯對準的方法在第6章會進行描述。

  4.3 熔接結果測試

  為了能夠完全展示熔接結果的特性,不但會測量熔接的損耗還會測量熔接的強度。從光纖熔接機上的光學分析系統所得到的熔接光纖的影像也會被保存下來,以分析熔接后光纖的外觀和測量結果之間的聯系。

  4.3.1 測量熔接的損耗

  使用穩定的激光光源和光功率計來進行熔接損耗的測量??紤]到和測量光纖MFD的一致連貫性,所有熔接損耗的測量都使用1550nm的波長。

  4.3.1 測量熔接的強度

  熔接強度的測量使用的是藤倉FSR-07的涂覆機,其配備完整的驗證試驗和拉力試驗的能力。熔接后的光纖會被盤旋纏繞然后直到拉斷,然后根據FOTP-28 [1]的測試方法計算拉力測試的應變率。

  4.4 測量光纖的特性

  為了便于理解熔接的結果,光纖的重要特性也會被測量。

  4.4.1 測量模場直徑

  如以下表1所示,每種光纖的MFD都進行了測量。測量所使用的的設備是運用了光纖遠場測試技術[2]的Photon公司的LD8900 HDR。在這次實驗中MFD的測量使用了1550nm波長的光源(安捷倫的穩定激光光源)。

  表1.在1550nm下的模場直徑測量

  4.4.2 測折射率分布

  測量折射率分布所使用的是IFA-100測量系統[3]。

  這套系統獨一無二的特性在于可以從光纖的側面橫切地測量折射率的分布(通過基于相位的技術),而不像折射率分布系統那樣使用近場折射測量技術需要連接切割后光纖的終端。

  由于IFA-100通過光纖的側面橫切的進行測量,可以在光纖長度上的任意點進行測量。這就不僅僅使得捕捉任何所想要點的折射率分布成為可能,而且可以繪制整根光纖的折射率分布圖(通過測量很多個點)。在這次實驗中,這項能力被應用在繪制從一邊光纖的熔接點到另一邊到另外一根光纖的折射率上。由于一些觀察到的現象是左右熔接光纖的折射率分布的不同所導致的,所以這項特性對于本次研究有非常顯著的幫助。

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