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切割刀老化對單模光纖幾何尺寸檢測結果的影響

■何晨程 楊婧 宋海燕 劉振華 張鵬 許酣 宋靜靜（西古光通信有限公司 陜西 西安 710119）

摘 要：光纖幾何尺寸是單模光纖的重要性能參數(shù)，目前國內的光纖工廠一般采用專門的光纖幾何尺寸檢測設備進行該方面的檢測。在對光纖檢測前，必須用專門的光纖切割刀對光纖端面進行處理。幾何尺寸的測試結果關系到光纖的品質以及前道拉絲工序的生產(chǎn)工藝調整。由于切割刀對光纖端面的處理效果直接影響幾何尺寸的測試結果，因此，研究切割刀老化對端面處理的影響，提高幾何尺寸測量準確性及穩(wěn)定性，對提高光纖測試精度、指導光纖拉絲進行工藝調整，具有非?，F(xiàn)實的意義。

關鍵詞：切割刀 cutter 幾何尺寸 geometry dimension 端面end face 準確性 accuracy 穩(wěn)定性 stability

0 引言

隨著光通信行業(yè)的快速發(fā)展，光纖制造廠商越來越重視光纖生產(chǎn)中的各項性能指標控制。光纖幾何尺寸作為最基本的性能參數(shù)，除了對光纖的光學傳輸、機械性能有一定影響外，更重要的是它對于光纖的連接損耗起著決定性作用。

在國標GB/T 9771.3-2008中，規(guī)定用來表征光纖尺寸的特征參數(shù)是：1310nm模場直徑、包層直徑、芯/包同心度誤差、包層不圓度、涂覆層直徑、包/涂同心度誤差等。測試這些項目的方法（原理）有遠場光可變孔徑法、近場光分布法、折射近場法、俯視法、傳輸近場法等。借助這些測量方法，可對光纖玻璃的幾何尺寸參數(shù)進行單項測量，也可對多項同時進行測量。其中，遠場光可變孔徑法、近場光分布法是目前光纖幾何尺寸測試設備采用比較廣泛的測試方法。

在進行幾何尺寸測試前，必須先用專門的光纖切割刀將待測光纖端面處理（切割）后，配合檢測設備專用夾具，才可以進行幾何尺寸測試。切割刀處理后的光纖端面需達到無畸變、邊緣齊整、無破損，才可以得到最準確的測試效果。如果光纖端面處理不佳，產(chǎn)生比較大的形變、破損，會導致錯誤的幾何尺寸計算結果，并直接影響到光纖的相關性能以及拉絲過程中的工藝調整。

因此，研究切割刀對幾何尺寸檢測結果的影響，以及如何進一步提高光纖切割刀對光纖端面的處理質量，對于光纖生產(chǎn)是必要且具有現(xiàn)實意義的。

1 切割刀對光纖端面處理的影響因素

切割刀在處理光纖端面時，刀刃與光纖相接觸的切點位置會產(chǎn)生一個徑向側壓力，該側壓力與作業(yè)員的操作方式、刀刃在該點的接觸面積均有關系。

由于石英玻璃屬于脆性材料, 雖然具有微塑性, 但它的屈服延伸階段非常小, 特別是在受到突然施加的負荷時,玻璃內部的質點來不及作出適應性的變形流動, 就會相互分裂、立即破裂。當切割刀出現(xiàn)鈍化、磨損時，會加大與光纖接觸部分的包層玻璃破損程度，嚴重時會影響到幾何尺寸測試結果，這是本文主要探討的問題。

近年，隨著光通信事業(yè)的蓬勃發(fā)展，國內各家光纖公司、研究所也開始涉及光纖切割刀的研發(fā)、生產(chǎn)這個新的領域。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了多種不同類型的國產(chǎn)切割刀。但由于國內在這方面的技術研發(fā)仍比較薄弱，市面上國產(chǎn)切割刀大多還是以仿制、改進國外切割刀為主。雖然價格相對低廉，但依據(jù)我司近年使用情況來看，國產(chǎn)切割刀在使用壽命、端面處理效果、刀具裝配精度這3方面上，與國外原裝刀具還是有一定的差距。目前國內主流的進口切割刀主要來自美國、日本兩地，比如日本的藤倉、住友，美國約克等品牌。這種現(xiàn)象與光纖光纜行業(yè)在世界地區(qū)的發(fā)展分布也是相符的

下文中，我們將以美國約克品牌的FK-11切割刀與日本藤倉CT-30切割刀為例，探討切割刀在不同狀態(tài)下對光纖端面處理效果的差異，以及對幾何尺寸測試結果的影響。

2 切割刀對于模場直徑測試結果的影響

模場直徑(MFD--Mode Field Diameter)的定義：

簡單來說，模場直徑就是光在光纖中強度分布場的直徑。它用來表征在單模光纖的纖芯區(qū)域附近，基模光的分布狀態(tài)。

基模在纖芯區(qū)域軸心線處光強最大，并隨著偏離軸心線的距離增大而逐漸減弱。一般將模場直徑定義為光強降低到軸心線處最大光強的1/(e^2)的各點中兩點最大距離，即0.135倍軸心光強分布的光斑所組成圓的直徑，稱之為模場直徑。

試驗切割刀：分別用一臺新的FK-11切割刀與一臺刀頭磨損嚴重的舊FK-11切割刀進行試驗比對。

檢測設備：美國PK公司的檢測設備

測試方法：遠場光可變孔徑法。

根據(jù)GB/T 15972.45-2008關于光纖模場直徑測試方法的介紹，對模場直徑的檢測分為兩個步驟：

1.首先測量出透過不同尺寸的孔徑光闌的遠場輻射光功率；

2.光信號采集、檢測系統(tǒng)將接收到的光強遠場數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)學程序，計算出模擬圓的模場直徑。

圖1 美國約克公司FK-11切割刀刀頭

圖2 長期使用下的FK-11刀頭磨損程度

對比過程：

a.比較新/舊切割刀處理端面的不同效果

用新的FK-11切割刀刀頭對端面進行切割，效果如下

圖3 新切割刀頭處理的端面效果

從圖像上來看，光纖包層與刀刃接觸點所受的破損非常小。這是由于新刀的刀刃相對更為鋒利，切割時接觸面積更小，在相同力量的作用下，切點的壓力強會大很多。根據(jù)玻璃的脆性特征，玻璃在尚未來得及向四周延展開微裂紋時，切割刀切入的深度以及切割刀向前推進的推力，已經(jīng)使包層玻璃達到了斷裂的臨界值。因此斷開后，切口部分產(chǎn)生的破損范圍很小。

用舊切割對端面進行處理，效果如下

圖4 接觸面破損延伸未達到芯層　

圖5 接觸面破損延伸未達到芯層

由于刀刃整體已經(jīng)鈍化，切口位置玻璃破碎嚴重，且裂紋向內延伸。圖4所示端面處理效果，由于裂紋伸尚未延伸到光纖的芯層位置，根據(jù)模場直徑的定義，對于測試結果影響相對較小。但圖5所示，微裂紋沿軸向向內（芯層）延伸，已經(jīng)到達芯層附近，如下圖。

b：用新/舊切割刀處理同一根光纖，比較1310nm模場直徑測試差異

光纖：外檢標定光纖 (模場直徑 9.21微米)

方法：兩把刀分別進行6次測試，每次測試前均重新處理光纖端面。

表1 新刀與舊刀對1310nm模場直徑測試結果的比較（單位：μm）

從測試結果來看，新切割刀處理的端面，測試值比較穩(wěn)定且與與標準光纖標定值基本一致，而未經(jīng)調整的舊切割處理的端面，6次測試值的跳動非常大。

原因分析：

光信號在光纖中是沿芯包邊界組成的光通道（光學波導）采用全反射的方式傳播的，光能量不完全集中在纖芯中傳輸，部分能量會在包層中傳輸。

圖6 光信號在芯包界面全反射傳播示意圖

圖7 模場直徑的擬合圓場強分布

從端面圖像上來看，刀面鈍化的舊切割刀處理端面時，切口附近玻璃破損面積較大，微裂紋都比較深，如果微裂紋未延伸至芯包邊界附近（如圖4），由于未破壞波導完整性，所以并未對測試結果造成明顯影響，這是個別測試值接近標準值得原因。

但是，當裂紋延伸至纖芯/包層交界處時，已經(jīng)破壞了光纖端面的光學波導完整性（如圖5）。當光信號傳遞到端面時，不再以全反射形式傳播，有一部分光信號會從遭到破壞的芯層缺口位置輻射出，即由傳導模變?yōu)檩椛淠?。這種現(xiàn)象嚴重影響光能量分布的均勻性。此時透過孔徑光闌，由光接收器所接收到的遠場光功率也不再準確。將這種模場直徑的計算結果應該會出現(xiàn)偏差。

而檢測人員在使用這樣的切割刀處理端面時，為了測試準確，不得不多次處理端面，以求達到相對良好的效果。這樣的切割刀已經(jīng)無法滿足檢測要求，必須馬上調整或者更換刀頭。

3 模場直徑對光纖性能的影響——對接損耗

光通信系統(tǒng)在現(xiàn)場鋪設中，為了實現(xiàn)不同模塊、設備和系統(tǒng)之間連接的需要，需要將不同的光纖進行對接。其中固定連接多采用熔接機熔接的方式進行對接。如果對接的兩根光纖模場直徑差異過大，即模場不匹配，很有可能造成大的對接損耗，對光信號在線路中的傳輸造成不良影響。

為更多了解不同模場直徑對于接續(xù)的影響，在2015年中旬，我司光纖工藝科和質檢中心合作，進行了專門的對接損耗差異試驗。從現(xiàn)象上來看，當對接的兩根光纖模場直徑差異較大時，在熔接點會出現(xiàn)明顯的不連續(xù)點（對接損耗點）。

熔接機：日本古河S-187A光纖熔接機

OTDR：加拿大EXFO FTB-500 OTDR

光纖：分別挑選模場直徑分別為9.3μm左右和8.8μm左右的光纖。

測試方法：熔接機將兩根光纖熔接后，用OTDR分別從兩端測試，確認對接損耗。

圖8 光纖熔接圖片

圖9 光信號由低模場向高模場傳播時的對接損耗

圖10 光信號由高模場向低模場傳播時的對接損耗

由對接損耗試驗來看，當光信號由低模場向高模場傳播時，熔接處的對接損耗為-0.225dB，由高模模場向低模場傳播時，熔接處對接損耗為0.357dB。

光纖熔接損耗的計算公式：

P損耗=丨P正向+P反向丨/2

上述熔接損耗為丨-0.225+0.357丨/2=0.066dB，附加損耗偏大。

需要注意的是，此次試驗所選擇的光纖均為模場直徑合格的光纖！即使是這樣，僅僅因為模場直徑差異比較大，就出現(xiàn)了對接損耗偏大的現(xiàn)象。光纜供應方在發(fā)往客戶的的光纜中，如果涉及模場直徑匹配要求，必須提供其中每根光纖的模場直徑，避免客戶在施工熔接過程中出現(xiàn)對接不良，接續(xù)損耗過大的現(xiàn)象。

4 切割刀對于其他幾何尺寸檢測結果的影響

對于其他幾何尺寸參數(shù)（包層直徑、芯/包同心度誤差、包層不圓度、涂覆層直徑、包/涂同心度誤差等），我司檢測設備采用近場光分布法（灰度法）對其進行測試。由于測試方法的關系，切口位置玻璃損傷程度對檢測結果的影響更為明顯。

此次試驗我們選擇藤倉CT-30切割刀，該切割刀刀片是圓形刀片，等分為16個扇區(qū)，并分別用數(shù)字標注。該刀片調整比較簡單，當某一扇區(qū)的刀刃磨損嚴重后，稍加轉動即可用新扇區(qū)的刀刃繼續(xù)測試，因此可以用同一臺切割刀，分別用老化程度不同的扇區(qū)進行比對。

圖11 藤倉CT-30切割刀

切割刀：同一臺CT-30切割刀

檢測設備：某國產(chǎn)光纖幾何尺寸測試儀

測試過程分為如下兩步

1.采用近場光分布提取圖像，將端面圖像經(jīng)過模擬→數(shù)字信號轉換。

2.計算軟件將轉換成數(shù)字信號的圖像，經(jīng)灰度法處理，提取光纖各層邊界位置信息，擬合成相似圓后，再計算該相似圓的各項幾何尺寸測試數(shù)據(jù)。

對比方法：

a：分別用已經(jīng)出現(xiàn)鈍化的舊扇區(qū)刀刃，與尚未使用的新扇區(qū)刀刃對光纖端面進行處理，觀察端面處理效果及測試結果的區(qū)別。

圖14 端面處理不良的包層界面

圖15 端面處理良好的包層界面

b：測試結果比較

技術人員使用同一臺CT-30切割刀，分別采用鈍化的刀刃和新刀刃，對同一根光纖進行10次幾何尺寸測試，每次測試前，均重新處理端面。

表2 CT-30鈍化刀刃處理端面的幾何尺寸測試數(shù)據(jù)

表3 CT-30新刀刀刃處理端面的幾何尺寸測試數(shù)據(jù)

以包層直徑為例，來觀察不同切割刀對幾何尺寸穩(wěn)定性的影響。

圖16 鈍化刀刃處理端面的包層

圖17 新刀刀刃處理端面的包層

從圖表明顯看出，新刀刃處理的端面，包層直徑測試結果相對更加穩(wěn)定，標準偏差明顯偏小。而鈍刀刀刃處理的的端面，測試結果跳動量比較大。其他幾何尺寸測試結果與包層的現(xiàn)象基本一致。

原因分析：

仍以包層直徑為例，當計算機提取包層邊緣信息，計算出擬合圓后，此時包層直徑為：

Rc=[(Xi-X0)2+（Yi-Y0）2]1/2

式中：

Xi和Yi為光信號在邊界位置象素點的坐標值；

X0、Y0為光纖或包層的中心坐標（即纖芯圓心或包層圓心的坐標值）；

Rc即為擬合圓的半徑

光纖纖芯直徑或包層直徑即為：2Rc。

可以看出，圖像邊緣位置信息是影響幾何尺寸測試結果的重要因素。當切口附近的玻璃破損嚴重時，該位置會發(fā)生明顯形變，玻璃碎屑向外凸出形成新的非圓邊界，代替了包層本身的邊界。計算機在提取此處邊緣信息時，如果將凸出部分的邊界誤認為是圓的邊界帶入計算， 將會獲得錯誤的幾何尺寸數(shù)據(jù)。這就是鈍刀處理后的端面，幾何尺寸測試結果跳動較大的主要原因。

5 切割刀的日常維護及保養(yǎng)

造成刀頭老化的原因很多，包括對同一位置點使用過于頻繁導致變形、刀頭光纖屑的不及時清理、磕碰等，都有可能對切割刀造成不可逆的損傷。檢測人員需要了解并掌握切割刀的使用保養(yǎng)常規(guī)知識，工藝人員也要加強現(xiàn)場監(jiān)督管控，以此來提高切割刀的切割質量，延長使用壽命。

由于FK-11切割刀刀頭在國內尚無替代產(chǎn)品，仍需依賴進口，價格比較昂貴。正確的日常保養(yǎng)、維護，對于延長其使用壽命大有裨益，也有利于降低公司生產(chǎn)成本。所以這里我們僅以FK-11切割刀為例，介紹切割刀的常規(guī)維護及保養(yǎng)。

a.使用中務必注意輕拿輕放，尤其注意不要磕碰刀頭部分。

b.及時清理刀頭附近的光纖屑，注意正確的清理手法。

c.在檢測工序制定詳盡的切割刀維護措施，規(guī)定維護周期、落實責任人，并做好有據(jù)可查的維護記錄。這樣，在保證切割刀使用壽命的前提下，避免由于切割刀磨損造成的幾何尺寸測試誤差。

圖18 正確的擦拭刀頭方法

圖19 錯誤的擦拭刀頭方法

圖20 清理刀身內的光纖碎屑方法（用風槍吹掃）

6 結束語

影響光纖幾何尺寸測試結果的因素很多，如設備狀態(tài)、測試原理、設備穩(wěn)定性、人員操作能力、切割刀的性能差異等等，不勝枚舉。當檢測結果出現(xiàn)問題時，測試人員及工藝人員需要通過5M1E分析方法，全面考慮、分析可能造成幾何尺寸測試結果偏差的諸多因素，以求盡早發(fā)現(xiàn)影響測試結果的真正原因。 本文僅討論其中光纖切割刀影響幾何尺寸測試結果的原因。

通過試驗我們發(fā)現(xiàn)，切割刀的磨損、鈍化程度對于光纖幾何尺寸測試結果的影響非常大。因此，了解切割刀影響幾何尺寸測試結果的原因，重視切割刀的日常保養(yǎng)與維護，可以切實提高測試結果的準確性和穩(wěn)定性，避免這方面造成的幾何尺寸測試結果誤差。

本文僅是筆者就自己近年在光纖檢測工作中總結出的經(jīng)驗發(fā)表的一些看法，由于水平有限，內容中必然有許多不足之處， 還望各位業(yè)內專家多提出寶貴的批評意見和建議。

參考文獻：

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2.國家標準GB/T 15972.45傳輸特性和光學特性的測量方法和試驗程序——模場直徑 中國國家標準化管理委員會

3.國家標準 GB/T 15972.20 幾何參數(shù)的測量方法和試驗程序——光纖幾何參數(shù) 中國國家標準化管理委員會

Doi:10.3969/j.issn.1673-5137.2016.01.001