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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(二)

摘要: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(二)

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  5.光纖的折射率分布

  對三種光纖組合熔接后的折射率分布都進行了測量。IFA-100的功能是不但可以測量每個光纖的折射率分布,還生成每次熔接的折射率分布圖。

  5.1 G.652.D和G.652.D熔接

  圖3展示了G.652.D單模光纖的折射率??v坐標軸的零點代表了純石英玻璃的折射率。

  圖3. G.652.D光纖的折射率分布

  在圖3里面,覆蓋了兩個G.652.D光纖的折射率分布。一個是測量了遠離熔接點的數據,也就是沒有受到熔接時被加熱的部位。另一個測量的是非常接近熔接點,在熔接放電加熱影響的區域內。接近熔接點光纖的折射率略微高于沒有被加熱的光纖。在純石英光纖的包層區域尤其明顯。當光纖在生產的過程中被拉長的時候,殘留的應力會留在玻璃內,這樣就降低了折射率。當光纖被熔接以后,加熱放電會釋放應力并且恢復到玻璃原始的折射率[4]。

  圖4. G.652.D熔接后的成像灰度圖

  在上圖展示了同一根G.652.D光纖進行熔接后的成像灰度圖。從熔接點往左和往右各800μm的距離內,折射率的分布呈現間隔性。在這張灰色的圖表里面,顏色越深代表折射率越高。纖芯位于光纖的中心可以很清晰的觀測到。然而,由于拉伸導致的應力被釋放,所造成的包層加熱部分的輕微變黑,很難從這張灰色的圖里面辨別出來。

  5.2 G.652.D和G.654.C熔接

  下面的圖5展示了G.654.C和G.652.D兩種光纖在熔接之后折射率分布的數據。

  圖5. G.652.D和G.654.C的折射率分布

  圖5里面的縱坐標軸被調整為可以展示兩種光纖的折射率分布。很明顯地可以看到G.652.D光纖的包層(純石英)的折射率分布幾乎和G.654.C光纖的純石英纖芯的相同。由于G.654.C光纖的包層玻璃里面有明顯的摻雜,所以其包層區域的折射率要遠遠低于G.652.D光纖。

  圖5也展示了兩種光纖在熔接點附近受到加熱影響區域的的折射率分布。在熔接加熱的過程中,由于光纖拉絲過程中產生的應力已經得到了釋放。和G.652.D光纖本身進行熔接的情況相比較,在接近熔接點的部位折射率的分布和沒有被加熱的區域相比已經被提高。

  圖6. G.652.D和G.654.C熔接后的成像灰度圖

  上圖展示了G.652.D光纖和G.654.C光纖熔接后的成像灰度圖,可以很清晰的看出兩種光纖折射率的巨大反差。這張灰色的圖表也展示了G.654.C光纖的纖芯(純石英)和G.652.D光纖的包層有著近似的折射率。

  5.3 G.652.D和G.655.D熔接

  G.655.D光纖和G.652.D光纖的折射率分布表示在圖7之中。

  圖7. G.652.D光纖和G.655.D光纖的折射率分布

  在這種光纖組合的情況下,兩種光纖的包層部分大多數都是由純石英組成,因此包層區域有著相同的折射率。

  然而,由于G.655D在纖芯有著比G.652.D更加復雜的折射率分布,包括在纖芯的周圍有著一個環形的結構,產生了除了纖芯以外的第二個折射率高于包層的區域。

  圖8. G.652.D光纖和G.655.D光纖熔接后的成像灰度圖

  在圖8里面同樣可以看到G.655.D光纖在纖芯區域和G.652.D光纖在折射率分布上的區別。

  6.使用側面對準系統熔接

  側面對準系統(PAS)是真正能夠進行纖芯對準的熔接機所普遍采用的方法。對這一系統進行闡述對理解本次研究的結果有很大的幫助。

  6.1 側面對準系統的架構

  一臺PAS熔接機需要使用兩套互相垂直的光學分析路徑來觀測光纖。這兩套光學觀測的軸是垂直于光纖的軸向,并且一般被稱為“X”軸和“Y”軸(相對的“Z”軸代表光纖的軸向)。圖9展示了所描述的系統。

  圖9. PAS熔接機光學系統

  每一個光學軸在光纖的一邊都配備了一個高分辨率的攝像頭和物鏡,并且在光纖的遠端有照明用的LED燈,以提供穿過光纖側面(或者是上面和下面)的校準光。攝像頭和物鏡配備了可以移動的功能以進行精確地對焦,這對于光纖纖芯的偵測和校準非常重要。在進行熔接的時候,左邊和右邊的光纖會被放進熔接機的校準V形槽內。為了能夠校準光纖的纖芯(或者包層),通常一側的V形槽可以在“X”方向進行高精度的移動,而另一側可以在“Y”方向進行移動。因此動作過程得到了觀測,并且可以通過分析“X”和“Y”觀測軸的影像來進行控制。

  如果(a) X/Y的動作得到精確地控制(包括攝像頭的聚焦動作),(b) 光學系統的分辨率足夠,(c) 對準的計算是準確無誤的話,就可以實現在0.1μm以下的纖芯對準。

  6.2 照明光的折射

  當校準光從照明LED射入光纖的時候,會發生一定角度的彎曲(折射),折射的角度取決于空氣和玻璃之間折射率的不同以及入射角度。因此,進入光纖的照明光在經過包層外圍邊緣的時候,由于有著較大的入射角度所以比起其他位置會產生較大的向內的折射。實際上,由于光纖的包層比空氣有著更高的折射率,照明光會朝著光纖的中心呈現出徑向的扇形分布。這一現象被表現在圖7內。為了清晰可見,僅僅展示了單一觀測軸, 并且水平橫向進行展示。

  圖10. 照明光

  當照明光通過光纖的時候,光通路會在的折射任何有不同折射率的地方發生彎曲。在圖7里面展示了具有非常簡單折射率結構的G.652.D單模光纖。在這種情況下,折射率唯一額外的變化就在于純石英的包層和具有較高折射率的摻雜鍺的纖芯之間。在這一點上,光會發生二次折射。折射現象會再次朝向中心呈現向內的徑向分布。

  攝像頭和物鏡聚焦平面的位置需要進行優化以獲得能夠辨別單模光纖的纖芯和包層之間具有差別的影像。在光纖的影像內(顯示在圖7里面的右側),從熔接機LED射出的照明光射入光纖之后會發生向內的彎曲,然后匯聚在光纖的中心。于是,光纖影像的外面部分會呈現為完全的黑色。通常來說,聚焦位置需要被選擇在照明光的集聚范圍占光纖直徑的25%左右的位置。

  照明光在光纖纖芯和包層界面上的二次折射會在接近明亮區域(光匯聚的區域)中心的位置上產生峰值極高的光亮。偵測峰值亮度的位置可以用來指示光纖的纖芯。

  6.3 光亮強度的分布

  圖11展示了從熔接機上的攝像頭影像里面取得的單一垂直掃描線條,是一個具有代表性的光亮強度分布。垂直掃描的線條被水平地繪制,縱軸表現的是相對亮度。因此照明LED的背景亮度顯示在光亮強度分布圖的左側和右側。在光亮強度分布圖的中間亮度區域,可以看到在纖芯的位置有著亮度的峰值,相對的外部邊緣完全黑色的區域就代表了外包層。

  圖11. PAS光亮密度分布

  6.4 使用PAS進行纖芯對準

  圖11里面的光亮強度分布是簡單而且理想化的。一個實際的光亮強度分布可能有明顯的干擾以及某些對稱性的缺失。在實際的應用中,為了提供精準的纖芯對準,會掃描包括左側的光纖和右側光纖,以及X軸和Y軸的多條垂直線條。

  而且,基于光纖的種類,光亮強度分布在中間光亮區域可能更加復雜。在某些情況下存在多個局部的光亮峰值。這一般都是因為光纖有著更加復雜的折射率分布,例如光纖具有環形的結構。這就使得達成高精度對芯所需的分析變得復雜化。

  在實際的應用中,雖然PAS的概念是相對簡單的,但是在一個信賴性高并且可以再現的前提下,要成功地應用PAS的方法來提供正確,可靠并且高精度的纖芯對準是很困難的。分析和對準的運算方法必須被精密合理地設計,以處理光纖上的灰塵,各種不同種類光纖在折射率分布上的差異(會造成光亮強度分布上的差異)補償光纖纖芯和包層之間的偏心率(因為在放電熔接的時候,由于表面張力的所用,被加熱和處于半融化狀態光纖的包層會向中心運動),以及其他情況所帶來的影響。實際上很多聲稱是可以提供纖芯對準的熔接機實際上不能做到。

  7.熔接的結果

  7.1 在熔接機顯示器上的熔接后外觀

  圖12, 13和14分別展示了使用IFA-100捕捉,并使用油浸顯微鏡得到的三種光纖熔接組合的影像和在具備PAS光學系統的熔接機上取得的熔接后光纖的外觀,并且被顯示在熔接機上的LCD顯示器上。

  接下來看一下G.652.D光纖和其自身進行熔接后的外觀,在圖12里面,顯示的是使用顯微鏡觀測的影像,可以看到兩邊的光纖沒有什么分別,僅僅在熔接點的位置有些微的差別,PAS熔接機顯示器上面的影像也與其相似,左側和右側光纖的對芯情況良好,說明實現了兩根光纖的精確對準。

  圖12. 同種G.652.D熔接后的光纖外觀

  G.652.D和G.654.C熔接后的外觀如圖13所示??梢钥吹皆陲@微鏡下,熔接點的位置有明顯的豎直線條,在左側也就是G.652.D的位置表現為明亮的條紋,而在右側G.654.C的位置表現為黑暗的條紋,剛剛已經介紹了兩種光纖折射率分布存在差異的時候,光在通過的時候會發生橫向的折射,在這個例子里面光朝向折射率分布更高的G.652.D光纖的方向,也就產生了這樣明暗相間的豎直條紋,在PAS熔接機的畫面上也有相同的現象。

  圖13. G.652.D和G.654.C熔接后的外觀

  圖14展示了G.652.D和G.655.D熔接后的光纖影像。在顯微鏡的影像里面也體現出了G.655.D在纖芯區域的復雜結構,除此之外在光纖的熔接點纖芯的位置上,由于同樣存在折射率分布上的差異,所以也會產生橫向的折射,可以看到和剛剛G.654.C光纖類似的明暗條紋,而且更加復雜,在PAS熔接機的畫面上也有相同的情況。


  圖14. G.652.D和G.655.D熔接后的外觀

  7.2 在PAS熔接影像內的橫向折射

  所造成的影響

  第6章(特別是第6.1節)解釋了由于PAS熔接機的照明光會發生徑向的折射,所以會射向光纖軸的中心。這使得通過將光束聚集在光纖影像中心的方式,來偵測和校準光纖的纖芯成為可能。前文已經提到過,從光纖熔接機LED射出的照明光會發生一定角度的徑向折射,折射的角度取決于光折射點的折射率的巨大差異,以及發生折射率變化點的入射角度。

  圖15. 光線的徑向折射和橫向折射

  照明光的橫向(相對于軸向)折射也是有可能發生的,而且會在任何橫向折射率有變化的位置發生。如果兩根具有不同折射率分布的光纖被熔接到了一起,在光纖熔接到一起的位置會存在橫向折射率的差異。在這一界面上,光會向折射率更高的方向發生折射。

  圖16說明了PAS熔接機照明光發生的橫向折射。在這個例子里面,右側的光纖具有更高的折射率,因此接近熔接點的照明光會發生折射,并且在折射率較高的右側匯聚成一條明亮的豎直線條,相應的左側會產生黑暗的線條。

  圖16. 照明光的橫向折射

  在圖16所描述的熔接后的光纖影像里面,右側的光纖是一根普通的G.652.D單模光纖。左側的光纖影像所表示的是一根G.657.A2彎曲不明感光纖。G.657.A2光纖有一個環繞纖芯的低折射率的環,其增加了纖芯和包層的反差,正因為這樣才提供了超低的彎曲損耗。低折射率的環和具有標準折射率的G.652.D光纖的純石英玻璃相比具有很大的反差。這一折射率的反差導致了PAS熔接機的照明光,會在G.657.A2光纖具有低折射率環的包層區域,向右側G.652.D光纖的方向發生橫向的折射。在熔接點上面,由于光被折射并且被匯聚到了具有更高折射率的G.652.D光纖的右側,這種橫向的折射會造成在左側的黑暗線條。因為橫向折射僅僅發生在G.652.D光纖的純石英包層和有低折射率環的G.657.A2光纖所產生反差的情況下,這足夠證明在PAS熔接后的光纖影像的中心明亮區域內,那是讓很多熔接點發生模糊的豎直條紋的成因。

  在5.2節里面已經提到過了,G.652.D光纖和G.654.C光纖在折射率分布上具有極大的差異。實際上,G.654.C的整個折射率分布都在G.652.D之下,這一現象可以在圖5里面清楚的看到。G.652.D光纖和G.654.C光纖之間的巨大反差在圖6的灰色圖表里面表現的更加明顯。

  由于G.652.D光纖在任何點的折射率分布都高于G.654.C光纖,從PAS熔接機的LED射出的照明光會朝著G.652.D光纖的方向橫向地折射。這可以在圖13里面的熔接后光纖的影像里被明顯的看到。在這個例子里面,因為整個G.654.C光纖的折射率分布都低于G.652.D光纖,在兩種光纖匯聚的橫截面會產生朝向G.652.D光纖的橫向折射。因此,會在熔接點產生一條非常尖銳和顯著的豎直線條,在G.654.C光纖的一側表示為黑色,而在G.652.D光纖的一側表示為明亮。

  在G.652.D光纖和G.655.D光纖進行熔接的時候,兩種光纖在折射率分布上的不同比起G.652.D光纖和G.654.C光纖的組合,沒有那么明顯。在之前的章節里面已經提到過,在圖7里面折射率分布圖里面,G.655.D光纖在纖芯的周圍有一個環形的結構,盡管折射率低于中心的纖芯,但是相比于純石英的包層區域其具有更高的折射率??偟膩碚f,相比于G.652.D光纖G.655.D光纖在纖芯的中心有著更高的峰值折射率,并且在纖芯的峰值周圍具有環狀的折射率上升,這是在G.652.D光纖的折射率分布里面所沒有的。尤其,在和G.652.D光纖熔接之后,G.655.D光纖的折射率上升環會和純石英包層相鄰并產生反差。在圖14里面,G.652.D和G.655.D熔接后的光纖影像在熔接點位置并沒有顯示出明顯的豎直條紋,只是在PAS影像的中心纖芯明亮區域的上面和下面依稀可見一條輕微的線條或者陰影。由于G.655.D光纖在折射率分布里面有著上升的環,從低折射率的純石英包層射入的光,會朝向高折射率的G.655.D光纖發生橫向地折射。所以在PAS熔接機的影像里,陰影正好是位于纖芯峰值的上面和下面,井且在G.652.D光纖的左側表現為黑暗,在G.655.D光纖的右側變現為明亮。

  7.3 熔接損耗的結果

  圖17. 熔接損耗的結果

  從上圖可以看到G.652.D自己進行熔接的損耗極低,平均值是0.01dB,G.654.C和G.652.D進行熔接的損耗幾乎和G.652自身熔接的相同,G.655.D和G.652.D的熔接損耗比起另外兩種要高不少,和之前進行估算的結果接近,可以將其理解為兩種光纖模場直徑之間的差距所造成的。

  7.4 熔接強度的結果

  圖18. 熔接強度的結果

  可以看到即使三種光纖在玻璃的結構上存在很大的差異,但是熔接后的強度并沒有明顯的區別。

  7.5 熔接結果的總結

  圖19. 熔接機顯示的圖像

  可以看到雖然在進行不同種光纖熔接的時候,在熔接機上看到的圖像與同種光纖相比有很大的差異,但是除了模場直徑差別較大的G.655.D光纖以外,在熔接的損耗上幾乎沒有差別,G.654.D和G.654.C熔接時候雖然有很明顯的線條,但是熔接損耗還是很低,G.652.D和G.655.D熔接的時候,線條不是很明顯但是熔接的損耗卻更高,另外三種情況下熔接后光纖的強度也相差無幾。

  7.6 同種G.654.E光纖熔接

  另外,今年由于中國電信在上海到廣州鋪設G.654.E的實驗光纜,我們也收到了很多關于G.654.E光纖熔接的問題,在最后增加一頁特意說明一下。同種G.654.E光纖熔接后的條紋和之前我們說明的幾種情況有所不同,不屬于明暗交錯,在其熔接點呈現出的是明暗對稱的情況。按照之前的理論,明暗條紋的出現是由于兩邊光纖折射率的變化,但是為什么兩邊是同種類光纖的情況下仍然會有明暗條紋的產生呢。首先一種可能是在主放電的過程中,光纖內部的摻雜氟部分擴散到了外部,從而造成了折射率的變化,但是通過對單根G.654.E光纖光纖放電我們發現其結構很穩定,并不會因為加熱而變化,所以真正的原因應該是兩側光纖接觸之前會先進行預放電以融化端面,由于摻雜氟部分的熔點遠低于其他二氧化硅部分,會快速融化,使得兩側光纖之間形成了一段成分以及折射率不同于其他部分的區域,因此其兩側都會產生橫向折射,呈明暗對稱的現象,同樣也是一種光學的現象不會對損耗和強度產生影響。

  圖20. 同種G.654.E熔接后的外觀

  8.結論

  8.1 在熔接中產生的氣泡以及氣泡的報警

  下面的圖5展示了G.654.C和G.652.D兩種光纖在熔接之后折射率分布的數據。

  在熔接機上面顯示出來的氣泡報警,有可能由真實存在的氣泡造成的,也有可能是由某些在熔接圖像上的黑點或者是豎直線條造成的。

  雖然在熔接影像上的可見線條有可能會造成氣泡報警,但是操作人員可以把在熔接點的豎直線條(由于左右光纖型號不同所造成)和黑點,或者是由光纖包層扭曲變大所造成的氣泡區分開來。

  對于很多精密的熔接機來說,氣泡報警的閾值都是可以調節的(也就是降低靈敏度),這樣豎直的線條就可能不會觸發氣泡報警,但是體積較大的黑點仍然會發生報警以提醒操作人員注意氣泡的產生。

  如果氣泡報警是由在熔接點的豎直線條造成的話,(如果是對不同種的光纖進行熔接的情況下)操作人員可以很簡單的忽視報警,或者是調節氣泡報警的閾值。

  如果在熔接影像上的黑點觸發了氣泡報警,并且黑點是圓的或者是不規則的形狀(而且不是由不同種光纖熔接所造成的豎直線條),這就有可能是真實的熔接不良,會造成非正常的損耗變大。

  如果產生了黑點(而且不是由不同種光纖熔接所造成的豎直線條)而且在熔接機的X和Y攝像頭的影像里面都可以被觀察到,那么這個不良可能就在光纖的中心位置或者是靠近中心位置,并且很可能是一個真實存在的氣泡或者是熔接不良。在這種情況下,熔接的損耗可能會很高,所以需要斷開熔接點重新進行熔接。

  如果黑點僅僅出現在熔接機的X攝像頭的影像或者是Y攝像頭的影像里面,黑點的成因可能是在光纖的表面而不是會造成損耗變大的光纖中心位置。在這種情況下,通過使用再次放電的功能可以幫助判斷這次熔接是否存在問題。如果進行多次再放電之后黑點被放大,這是由陷在光纖內部的氣體受熱膨脹所造成的,說明這是一個真實存在的氣泡。在這種情況下,光纖需要進行再次的熔接。如果黑點的尺寸變小了或者消失了,說明黑點是由光纖表面的異常所造成的,并且不太可能造成損耗的變大。

  為了避免氣泡以及其他可能會在光纖影像上產生黑點的因素,需要保養熔接機的電極棒以校正合適的放電功率,而且也需要正確地保養切割刀。除此之外,在對光纖的切割完成之后,需要小心的取出光纖以防止切割后的光纖在放入熔接機的時候沾染污染物。

  8.2 在熔接影像內的豎直線條

  本次研究是對在兩種不同單模光纖進行熔接的時候,熔接點上的可見豎直線條,不能被看做有力的影響熔接損耗和強度的證據這一論點進行論證。

  任何在兩種光纖的折射率分布上存在的巨大的不同或者差異,在被熔接一起之后都有可能在熔接點上面產生豎直的線條或者陰影,并且可以在光纖熔接機顯示器上的光纖影像上面表示出來。

  線條或者陰影是由光纖熔接機LED照明光在發生橫向折射之后產生的。照明光會朝著具有較高折射率光纖的方向(或者是光纖內的特性)發生折射。

  線條和陰影的級別取決于兩種被熔接光纖之間折射率分布的差別大小。因此,掌握兩種光纖在折射率分布上差異可以對預測這種線條帶來幫助。

  在使用高分辨率光學系統的熔接機上面,線條可能非常容易被注意到,例如使用了PAS系統以提供高精度纖芯對準的熔接機。

  雖然光纖熔接機光學系統所提供的的照明光,會由于兩種光纖熔接后所產生的折射率分布上的差異而發生折射,但是光學信號的傳播被沒有受到影響。所以兩種光纖折射率的差異性不會影響到熔接損耗。

  雖然折射率分布和在熔接后產生的豎直的線條不能作為預測熔接損耗的依據,但是兩種光纖在MFD上的區別卻能夠很好地和熔接的損耗相關聯。特別在使用真正具有纖芯對準能力的高精度光纖熔接機對兩種不同模場直徑光纖進行熔接的時候,由于MFD不匹配所產生的影響占據著主導地位。

  兩種光纖在折射率分布上的不同,以及MFD的不匹配都不會對熔接后光纖的強度產生影響。

  9.鳴謝

  作者感謝Interfiber Analysis LLC的Andrew D.Yablon,協助了折射率分布的測量,以及提供了本次研究中使用到的油浸顯微鏡的影像。

  10.作者

  參考文獻

  [1] EIA/TIA-455-28B,“Method for Measuring Dynamic Tensile Strength of Optical Fiber”

  [2] EIA/TIA-455-167,“Mode Field Diameter Measurements inthe Far Field”

  [3] A.D.Yablon,“Multi-Wavelength Optical Fiber Refractive Index Profiling by Spatially Resolved Fourier Transform Spectroscopy”,IEEE Journal of Lightwave Technology Volume 28,Number 4(February 2010),pp.360-364.

  [4] A.D.Yablon,M.F.Yan,P.Wisk,F.V.DiMarcello,J.W.Fleming,W.A.Reed,E.M.Monberg,D.J.DiGiovanni,J.Jasapara,and M.E.Lines,“Refractive Index Perturbations in Optical Fibers resulting From Frozen-In Viscoelasticity”,Applied Physics Letters Volume 84,Number 1(anuary 5,2004),pp.19-21.

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