張濟民 楊小光 張 偉
(中國電子科技集團公司第四十一研究所 電子測試技術國家重點實驗室,山東 青島266000)
近年來,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,已廣泛應用在軍事、互聯(lián)網(wǎng)、金融、交通、環(huán)保、監(jiān)控、醫(yī)療、文化及航天等各個領域。所有光纖通信工程的建設和維護,都是通過光纖熔接機等設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。 熔接損耗是評價光纖熔接質量好壞的一個重要參數(shù),它直接決定著光纖通信網(wǎng)絡的質量。 實際操作中,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系,并對因光纖端面角度因素導致熔接損耗增大的問題提出了解決辦法。因此對減小熔接損耗、提高光纖熔接質量有著重要意義。
光纖接續(xù)是光纖網(wǎng)絡建設和維護中工程量大、技術要求最復雜的重要工序,其質量好壞直接影響光纖線路的傳輸質量和可靠性。 衡量接續(xù)質量的最重要指標是接續(xù)損耗,它是指光纖接續(xù)點產(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)過接續(xù)點的輸出功率。對于使用熔接機進行光纖熱熔接續(xù)來說,L 即為熔接損耗。決定熔接損耗的因素分為兩類:本征因素和非本征因素,分別進行分析。
影響光纖熔接的本征因素是指光纖自身的因素,包括模場直徑偏差、模場同心度誤差、纖芯截面不圓等,其中,光纖模場直徑偏差影響最大,估算公式如下:
式中:Lα是估計損耗值,ω1和ω2是左、 右兩條待熔接的光纖的模場直徑。 以光纖網(wǎng)絡建設中應用最多的單模光纖為例進行分析,單模光纖國際標準ITU-T G.652 中規(guī)定的模場直徑的范圍是8.6μm~9.5μm, 假 設 待 接 續(xù) 的 兩 條 單 模 光 纖 的 模 場 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,標準的多模光纖、非零色散位移光纖、色散位移光纖的模場直徑都允許一定的變化范圍,當進行不同廠家光纖熔接時,由于模場失配造成的損耗影響還是很大的。
影響光纖熔接損耗的非本征因素主要是熔接技術,包括以下幾個方面:
端面角:使用切割刀制備光纖端面時,光纖端面存在的傾角。熔接機屏幕上,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。
軸心錯位: 單模光纖纖芯很細,2 根對接光纖軸心錯位會影響熔接損耗。
端面分離:待熔接的兩條光纖端面間距過大,張力測試時可發(fā)現(xiàn)。
光纖傾斜:一般由于接續(xù)設備對準機構出現(xiàn)故障或操作不當造成的,待接續(xù)的兩條光纖軸心不在同一條水平線上。
接續(xù)點附近的光纖物理變形: 光纜在架設過程中的拉伸變形,接續(xù)盒中夾固光纜的壓力太大等,都會對熔接損耗產(chǎn)生影響。
圖1 非本征因素示意圖
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)絡建設中,優(yōu)先考慮使用同一品牌和型號的光纖。 從非本征因素方面考慮,軸心錯位、端面分離、光纖傾斜和光纖物理變形可通過規(guī)范操作避免,端面角是客觀存在的,優(yōu)質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,下文將從理論和實驗兩個方面介紹熔接損耗和端面角之間的關系。
在熔接損耗測試中,通常采用剪斷法。 光纖熔接損耗的測試原理與光纖衰減特性的檢測原理類似,在不改變注入光的條件下通過功率計測量出經(jīng)過某一定長度(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斷, 再用熔接機將截斷的光纖接續(xù)起來,待功率穩(wěn)定后,讀取功率計值P2(λ),通過公式(1)可計算出該熔接點的損耗值。 具體測試方法見下圖所示測試系統(tǒng)。
圖2 損耗測試系統(tǒng)示意圖
端面角與熔接損耗之間的關系非常復雜,目前沒有準確的公式可供參考。 本文通過實驗數(shù)據(jù)分析找出二者之間的關系,前提是必須統(tǒng)一實驗條件,排除接續(xù)設備、測試儀器、環(huán)境、光纖本身因素的影響。本實驗中使用的設備是中國電科第41 所AV6472 光纖熔接機和AV33012 光纖切割刀,測試儀器采用的是安捷倫公司的8163B 光源、功率計系統(tǒng),分辨率高達0.001dB,光纖采用符合ITU-T G.652 標準的單模光纖,溫度20~25℃,濕度45~55%RH,標準大氣壓。
由于光纖端面角難以預先確定,進行多次測試并記錄左、右光纖平均端面角和熔接損耗的對應關系,詳細數(shù)據(jù)見表1。
表1 端面角和熔接損耗對應關系
為了從這些數(shù)據(jù)中找到其內在的規(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,原理如下:
設有實驗數(shù)據(jù)(xi,yi),i=1,2,…,n,尋找函數(shù)f(a,x)使得函數(shù)在點xi處的函數(shù)值與觀測數(shù)據(jù)偏差的平方和達到最小。 即使得
式中,a 是待定的參數(shù)。
matlab 是一款功能強大的科學計算軟件, 本文直接使用內部ployfit 函數(shù)實現(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 階多項式的系數(shù),s2 和s3 是均方誤差,y2 和y3 是多項式值,運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
兩端光纖通過軸向推進,從而靠近連接在一起。 該過程需要對光纖端面不平整或一些微小的缺陷進行補償。如果兩端光纖有比較大的切割角度,而需要連接,看起來在端面間就有一個角度。 如圖4 所示。由于存在切割角度αCl,當兩端光纖推進到一起時就會發(fā)現(xiàn),連接處產(chǎn)生數(shù)量為Vm的中間玻璃體缺失。
圖4 切割角度導致中間玻璃體缺失
在熔接過程中該缺失部分會引起玻璃體流動。這樣的流動又會影響到光纖纖芯,并導致其彎曲,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,來補償中間玻璃體缺失。 采用的改進措施具體如下:首先測量切割角度αC1(用于推導參考值),然后通過CPU 控制軸向電機,增加光纖的推進量,到達最優(yōu)化的熔接損耗。假定光纖直徑為d,額外軸向推進為Δzaf,對于中間玻璃體缺失部分的計算如下:
由此可以得出,要補償該缺失額外推進量大約為:
采取改進推進量的方法后, 平均端面角≤1.0°時光纖的熔接損耗控制在0.04dB 以下,具體測試數(shù)據(jù)見下表2 所示。 在高標準光纜線路施工中,光纖熔接質量的內控指標要高于設計指標。 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。 通過改進熔接方法,對于光纖端面角度在1.0°以下的光纖熔接,熔接損耗可完全滿足干線等高等級光纜線路施工要求。
表2 改進后端面角和熔接損耗數(shù)據(jù)
本文介紹了光纖端面角度等因素對熔接損耗的影響, 并使用matlab 軟件進行曲線擬合獲得端面角與熔接損耗之間的對應關系。 然后根據(jù)端面角信息改變光纖熔接機熔接時的推進量,明顯的減少了高熔接損耗光纖接頭的產(chǎn)生。
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